3D-Druck ermöglicht Entwicklung einer ultrastarken Titanlegierung

Die Ingenieure zeigten an einer handelsüblichen Titanlegierung, wie nach einer einfachen Wärmenachbehandlung eine angemessene Dehnung sowie Zugfestigkeiten von über 1.600 MPa erreicht wurden. Das ist die höchste spezifische Festigkeit unter allen bisher in 3D gedruckten Metallen.

“Die hervorragenden Eigenschaften werden auf die ungewöhnliche Bildung von dichten, stabilen und in sich verzwirnten Nanoausscheidungen zurückgeführt, die bei traditionell verarbeiteten Titanlegierungen nur selten zu beobachten sind. Es konnte gezeigt werden, dass diese nanoverzwirnten Ausscheidungen aus einer hohen Dichte von Versetzungen mit dominantem Schraubencharakter stammen und durch den additiven Herstellungsprozess entstanden sind. Die vorliegende Arbeit ebnet den Weg zur Herstellung von Strukturwerkstoffen mit einzigartigen Mikrostrukturen und hervorragenden Eigenschaften für ein breites Anwendungsspektrum.”

In den letzten zehn Jahren hat der 3D-Druck eine neue Ära in der Metallherstellung eingeläutet, denn dank seiner Designfreiheit kann nahezu jedes geometrische Teil hergestellt werden.

“Titanlegierungen erfordern komplexe Gussverfahren und thermomechanische Bearbeitung, um die für einige kritische Anwendungen erforderlichen hohen Festigkeiten zu erreichen.” erläutert Huang. “Wir haben entdeckt, wie die additive Fertigung genutzt werden kann, um hochfeste und thermisch stabile Teile aus handelsüblichen Titanlegierungen herzustellen, die direkt in Betrieb genommen werden können.” 

Titanlegierungen sind gegenwärtig die führenden 3D-gedruckten Metallkomponenten für die Luft- und Raumfahrtindustrie. Die meisten handelsüblichen Titanlegierungen, die im 3D-Druckverfahren hergestellt werden, weisen jedoch für viele strukturelle Anwendungen keine zufriedenstellenden Eigenschaften auf, insbesondere aufgrund einer unzureichenden Festigkeit bei erhöhten Temperaturen unter harten Einsatzbedingungen.

“Unsere Ergebnisse bieten einen völlig neuen Ansatz für die Ausscheidungshärtung in handelsüblichen Legierungen, der für die Herstellung echter Bauteile mit komplexer Form für tragende Anwendungen genutzt werden kann. Diese Anwendung gibt es bisher noch bei keiner Titanlegierung”, sagt Professor Huang.

“Der 3D-Druck und die einfache Wärmebehandlung bedeuten auch, dass die Prozesskosten im Vergleich zu anderen Materialien mit ähnlicher Festigkeit stark reduziert sind.”

Es wird erwartet, dass die Ergebnisse dieser Arbeit zu grundlegenden Erkenntnissen über die Prinzipien der Verfestigung und Versetzungstechnik auf dem Gebiet der physikalischen Metallurgie führen werden.

Professor Huang leitete die Forschungsarbeit mit dem Titel “Ultrastarke nanoverzwirnte Titanlegierungen durch additive Fertigung” zusammen mit Dr. Yuman Zhu vom Monash Centre for Additive Manufacturing. Die in Nature Materials veröffentlichte Forschungsarbeit wurde an handelsüblichen Legierungen durchgeführt und kann sofort angewendet werden.