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Apr 11, 2024

3D

Die Möglichkeit, anspruchsvolle doppelwandige Turbinenschaufeln aus einem hochschmelzenden Metall wie Niob in 3D zu drucken, ebnet den Weg für deutlich höhere Betriebstemperaturen des Motors. Castheon Nach Angaben der

Die Möglichkeit, anspruchsvolle doppelwandige Turbinenschaufeln aus einem hochschmelzenden Metall wie Niob in 3D zu drucken, ebnet den Weg für deutlich höhere Betriebstemperaturen des Motors. Kastheon

Laut der American Society of Metals und ihrem ASM Metals Reference Book sind Refraktärmetalle natürlich vorkommende metallische Elemente mit einem Schmelzpunkt über 2.200 Grad C.

Diese Metalle – Molybdän, Niob, Tantal, Wolfram und Rhenium – sind nicht nur äußerst hitze- und korrosionsbeständig, sie behalten auch bei erhöhten Temperaturen ihre strukturelle Integrität. Dies macht sie zu einer hervorragenden Wahl für eine Reihe anspruchsvoller Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, Industrie und Wissenschaft.

Ein Problem besteht darin, dass hochschmelzende Metalle mit herkömmlichen Fertigungsmethoden wie maschineller Bearbeitung und Umformung außerordentlich schwer zu verarbeiten sind. Aufgrund dieser Tatsache und ihrer relativ hohen Kosten war die Verwendung von Refraktärmetallen lange Zeit auf Anwendungen beschränkt, bei denen die Werkstückformen relativ einfach sind, der Materialabtrag minimal ist und einfacher herzustellende Superlegierungen nicht die erforderliche Leistung erbringen würden.

Dank der additiven Fertigung (AM) und den Bemühungen von Forschern wie Youping Gao wird sich das jedoch bald ändern.

Gao ist Präsident von Castheon Inc., einem AM-Forschungs-, Entwicklungs- und Produktionsunternehmen mit Sitz in Thousand Oaks, Kalifornien. Er erklärte, dass die Laser-Pulverbettfusion (LPBF) die meisten Herstellbarkeitsprobleme im Zusammenhang mit hochschmelzenden Metallen und Legierungen löst. Und wie bei allen Metall-AM-Technologien ermöglicht es auch die Herstellung topologisch optimierter, leichter Komponenten mit porösen oder Gitterstrukturen, die sonst unpraktisch oder sogar unmöglich herzustellen wären.

Die kostengünstige Herstellung von Metallkomponenten mit Schmelzpunkten, die fast doppelt so hoch sind wie die von INCONEL, Hastelloy und anderen beliebten hitzebeständigen Superlegierungen (HRSAs), eröffnet einige spannende Möglichkeiten. Höhere Temperaturen bedeuten treibstoffeffizientere und langlebigere Gasturbinentriebwerke, die für die kommerzielle Luftfahrt- und Energieerzeugungsindustrie von größter Bedeutung sind.

Aber es gibt auch das Potenzial für Hyperschall-Flugreisen, eines der vielen Projekte, an denen Gao und sein Team seit der Gründung des Unternehmens im Jahr 2016 arbeiten.

„Die NASA, die US Air Force und andere Behörden sind seit langem an dauerhaften Hyperschallflügen für kommerzielle und militärische Zwecke interessiert“, sagte Gao. „Bis vor relativ kurzer Zeit war es jedoch nicht möglich, hochschmelzende Metalle in die anspruchsvollen Formen zu bringen, die für Geschwindigkeiten von Mach 5 und mehr erforderlich waren.“

Er und seine Kollegen haben herausgefunden, dass Metall-AM diese Formen nicht nur herstellen kann, sondern dass Legierungen auf Niobbasis auch weitaus stabiler sind als ihre geschmiedeten Äquivalente. Sie weisen eine 1,8-mal höhere Zugfestigkeit bei Temperaturen von 1.300 Grad C auf. Auch andere hochschmelzende Metalle wie Wolfram und Rhenium weisen ähnliche Vorteile auf, sagte er.

Auf seinem Weg zum Erfolg in diesem Nischenmarkt sah sich Gao mit Herausforderungen konfrontiert. Er nannte die Herstellung von hochschmelzenden Metalllegierungen und -pulvern einen „Albtraum“, der zu hohen Kosten und Materialknappheit führe. Und der 3D-Druck sei wegen des engen Betriebsfensters und eines „einzigartigen Kornkontrollmechanismus“ auch eine ziemliche Herausforderung, sagte er.

Dieses Tantal-Düsensegment wurde für ein Projekt der britischen Weltraumbehörde hergestellt. HC Starck

Ungeachtet dessen sind diese einzigartigen Metalle ihren HRSA-Alternativen weit überlegen, und Gao ist zuversichtlich, dass ihre Verwendung zunehmen wird, da die Rohstoffpreise sinken und mehr Menschen sich das nötige Wissen aneignen, um sie zu drucken.

Faith Oehlerking stimmt jedem dieser Punkte zu. Als F&E-Ingenieurin für additive Fertigung beim Hersteller und Teilehersteller für hochschmelzende Metalle HC Starck Solutions, Coldwater, Michigan, verbringt sie ihre Tage damit, die Geheimnisse des 3D-Drucks von Wolfram, Tantal und anderen Elementen zu lüften. Wie Gao nutzen auch Oehlerking und das Team von HC Starck die LPBF-Technologie von Renishaw, um ihr dabei zu helfen. Starck fertigt auch feuerfeste Metallteile und Testcoupons auf einem Binder-Jet-3D-Drucker, der im Rahmen einer Kooperationsvereinbarung mit ExOne bereitgestellt wird.

Einige der Herausforderungen, die Molybdän, Wolfram, Tantal und Niob mit sich bringen, ergeben sich aus ihrer kubisch-raumzentrierten Atomstruktur. Sie haben eine Übergangstemperatur von duktil zu spröde (DBTT), erklärte Oehlerking. Metalle wie Molybdän und Wolfram weisen sehr hohe DBTTs auf, die zu Spannungsaufbau und Mikrorissen im fertigen Bauteil führen können.

Bei bearbeiteten Materialien ist es möglich, diese Fehlerarten durch thermomechanische Prozesse wie Kaltumformung zu mildern, bei 3D-gedruckten Komponenten ist dies jedoch unpraktisch. Die Lösung besteht darin, die feuerfesten Grundmetalle mit Elementen wie Rhenium, Nickel und Eisen zu legieren, um die DBTT des Metalls zu senken und Spannungen zu reduzieren.

„Wir forschen in diesem Bereich intensiv, evaluieren aber auch verschiedene Druckstrategien und -technologien“, sagte Oehlerking. „Zum Beispiel ist das Erwärmen der Bauplatte eine gängige Strategie zur Reduzierung von Rissen, wobei einige Maschinen Temperaturen von 500 °C oder mehr erreichen können. Dies hat das Potenzial, den Übergang von flüssig zu fest zu erleichtern, insbesondere bei Molybdän und Wolfram, die eine viel höhere DBTT aufweisen.“

Es ist auch wichtig zu beachten, dass Sauerstoff in der Baukammer oder im Pulver schädlich ist, da zu viel Sauerstoff die DBTT und Mikrorisse im Metall weiter erhöhen kann, sagte Oehlerking. „Ein qualitativ hochwertiges Ausgangsmaterial und eine gute Atmosphärenkontrolle in Ihrer Metall-AM-Maschine sind für den Erfolg des Drucks von Refraktärmetallen unerlässlich.“

Auch wenn es unmöglich ist, Mikrorisse und den daraus resultierenden Verlust der strukturellen Integrität zu beseitigen, spielen hochschmelzende Metalle dennoch eine wichtige Rolle.

Wolfram wird beispielsweise häufig für die Anti-Streugitter-Kollimatoren in Röntgen- und CT-Scannern verwendet, die nicht der gleichen mechanischen Belastung ausgesetzt sind wie solche, die in Luft- und Raumfahrt- und Militäranwendungen zu finden sind. Refraktärmetalle weisen außerdem eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit und einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, wodurch sie sich gut für Wärmetauscher und Tiegel zur Saphirzüchtung eignen.

Ein Projekt, an dem Starck beteiligt ist und das die überlegene strukturelle Integrität erfordert, die mit den meisten hochschmelzenden Metallen möglich ist, ist der Druck eines Resistojet-Düsensegments für die britische Weltraumbehörde. Das Projekt heißt Super high Temperature Additively Manufactured Resistojets, kurz STAR. (Ein Resistojet ist ein einfaches elektrisches Antriebssystem, das durch Erhitzen einer Flüssigkeit Schub entwickelt. – Hrsg.)

Aufgrund seiner geringen DBTT und Hochtemperaturbeständigkeit wurden Tantal und eine Tantal-Wolfram-Legierung (Ta10W) für die Satellitenkomponente ausgewählt, die bei Temperaturen über 3.000 Grad C eine konstante elektrische Leitfähigkeit, extreme Zugfestigkeit und minimale Verformung aufweisen muss .

Dieses Triebwerk für ein Reaktionskontrollsystem wurde aus einer Nioblegierung 3D-gedruckt. Kastheon

Mit dem Renishaw AM400 LPBF-Drucker des 3D-Druckpartners HiETA Technologies wurden verschiedene Bauparameter getestet, um aus beiden Materialien 99,95 % dichte Coupons zu erzielen. Diese Einstellungen wurden dann angewendet, um Prototypen der dünnwandigen Düsensegmente herzustellen. Zum jetzigen Zeitpunkt werden diese Teile intern von HC Starck Solutions und an der englischen University of Southampton evaluiert.

Metal AM bringt unglaubliche Flexibilität in Entwicklungsprojekte für hochschmelzende Metalle wie dieses, ebenso wie die Möglichkeit, maßgeschneiderte Legierungsmischungen zu erstellen. Im Gegensatz zu den meisten Herstellern, die verschiedene Metallpulver miteinander mischen müssen, um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen, kann Starck seine eigenen Metallpulver zerstäuben.

Laut Oehlerking sorgen diese „vorlegierten“ Metalle für eine bessere Konsistenz beim 3D-Druck. „Wir verfügen über eine Reihe verschiedener Metalle und entwickeln ständig weitere“, sagte sie. „Da gibt es zum Beispiel Titan-Zirkon-Molybdän, eine beliebte medizinische Legierung. Aber es gibt auch Molybdän-Lanthan, Wolfram-Rhenium und die Niob-basierte Legierung C-103, die Youping Gao für viele seiner Arbeiten verwendet.

„Zwischen den Refraktärmetallen und dem 3D-Druck ist das Potenzial hier enorm, insbesondere in den Bereichen Luft- und Raumfahrt und Verteidigung. „Wir stehen erst am Anfang“, sagte Oehlerking.