LPBF: Wissenschaftlern gelingt Durchbruch bei der Herstellung einer neuen hochwertigen Titanlegierung

Wissenschaftlern der City University of Hong Kong (CityU) ist jüngst ein Durchbruch bei der Entwicklung einer Titanlegierung gelungen. Dank der additiven Fertigung konnten die Forscher erfolgreich eine Legierung mit herausragenden mechanischen Eigenschaften herstellen. Im Rahmen des Projektes konnte herausgefunden werden, dass obwohl man im Allgemeinen davon ausgeht, dass die größere Einheitlichkeit von Legierungskomponenten ideal sei um Sprödigkeit zu vermeiden, ein gewisser Grad an Heterogenität (Vielfalt) einzigartige Mikrostrukturen hervorbringt, die die Eigenschaften der Legierung verbessern. Ausgehend von diesem Fund gelang es den Wissenschaftlern, mit LPBF unter Einsatz von Pulvern aus rostfreiem Stahl und Titanlegierungen eine neue Legierung zu finden, die sowohl stärker als auch leichter ist.

Das Forscherteam unter der Leitung von Professor Chain-Tsuan Lieu vom Hong Kong Institute for Advanced Study (HKIAS) der CityU veröffentlichte in der Fachzeitschrift Science einen Artikel mit dem Titel „In situ design of advanced titanium alloy with concentration modulations by additive manufacturing“ (In-situ-Design einer fortschrittlichen Titanlegierung mit Konzentrationsmodulationen durch additive Fertigung), in welchem sie ihre Ergebnisse darlegen. Obwohl die Vorteile der additiven Fertigung meist in den geometrischen Möglichkeiten für die Gestaltung von Teilen gesehen werden, untersuchte das Team in dieser Studie, wie die Technologie darüberhinaus für die Gestaltung von Objekten mit besseren Materialeigenschaften genutzt werden kann.

Die Lava-ähnliche Mikrostruktur der 3D-gedruckten Titanlegierung (Bildnachweis: Credit: Dr. Zhang Tianlong /DOI-Nummer: 10.1126/science.abj3770)

Oder wie Dr. Tianlong Zhang, Postdoc am Department of Materials Science and Engineering (MSE) der CityU und einer der Autoren der Arbeit, erklärt: „Die einzigartigen Eigenschaften der additiven Fertigung bieten uns eine größere Freiheit bei der Gestaltung von Mikrostrukturen. Konkret haben wir eine partielle Homogenisierungsmethode entwickelt, um mit Hilfe des 3D-Drucks Legierungen mit Konzentrationsgradienten im Mikrometermaßstab herzustellen, was mit herkömmlichen Methoden der Materialherstellung nicht möglich wäre.“ 

Wie gelang die Umsetzung?

Im Wesentlichen gelang das Schmelzen und Mischen von zwei verschiedenen Legierungen, z. B. von Titanlegierungspulvern und Edelstahlpulvern, mit Hilfe des selektiven Laserschmelzens (SLM/LPBF). Genauer gesagt wurden Ti-6Al-4V (eine Titanlegierung) und eine kleine Menge Edelstahl 316L verwendet, um Konzentrationsänderungen der Edelstahlelemente in der Titanlegierung im Mikrometerbereich zu erzeugen. Dies trug zu einer Umwandlung des Materials bei, die ihm eine höhere Zugfestigkeit bei gleichmäßiger Dehnung und eine hervorragende Kaltverfestigung verleiht.

Die Ergebnisse zeigen, dass die resultierende Legierung hervorragende mechanische Eigenschaften aufweist (Bildnachweis: Dr. Zhang Tianlong /DOI-Nummer: 10.1126/science.abj3770)

Das Team kontrollierte dabei bestimmte Druckparameter, wie z. B. die Laserleistung sowie die Scangeschwindigkeit, und konnte so die ungleichmäßige Zusammensetzung der Elemente besser kontrollieren. Die Legierung ist nicht nur 40 % leichter als herkömmlicher rostfreier Stahl, sondern weist auch eine unglaubliche Festigkeit auf. Wenn Sie mehr erfahren möchten, können Sie die Studie HIER kaufen oder die Pressemitteilung der CityU HIER lesen.

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*Cover Photo Credits: City University of Hong Kong