Additive Fertigung Neue hitzebeständige Legierungen: 3D‑Druck verschiebt die Grenzen von Aluminium

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Aluminium ist aufgrund seines geringen Gewichts und seine Festigkeit ein vielseitiger Werkstoff. Bei hohen Temperaturen nehmen seine mechanischen Eigenschaften jedoch deutlich ab. Forschende der Universität Nagoya in Japan haben nun den Metall-3D-Druck genutzt, um eine neue Reihe von Aluminiumlegierungen zu entwickeln, die auf höhere mechanische Festigkeit und bessere Hitzebeständigkeit optimiert sind.

Aluminium gilt als äußerst vielseitiger Werkstoff, vor allem aufgrund seines geringen Gewichts und seiner Festigkeit. Bei hohen Temperaturen nehmen seine mechanischen Eigenschaften jedoch deutlich ab. Diese Einschränkung ist nachteilig für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Automobilindustrie, wo Bauteile wie Turbinen und Motoren eine hohe thermische Beständigkeit erfordern.

Um dieses Problem zu überwinden, haben Forschende der Universität Nagoya in Japan den Metall-3D-Druck genutzt, um eine neue Reihe von Aluminiumlegierungen zu entwickeln, die auf höhere mechanische Festigkeit und bessere Hitzebeständigkeit optimiert sind.

Hierfür haben die Forschenden eine systematische Methode entwickelt, um vorherzusagen, welche Elemente die Aluminium-Matrix verstärken und welche schützende Mikro- oder Nanostrukturen bilden. Sie überprüften diese Vorhersagen, indem sie neue Legierungen auf Basis von Kupfer, Mangan und Titan herstellten, und bestätigten die Ergebnisse mithilfe eines Elektronenmikroskops. Alle neuen Legierungen verwenden kostengünstige, leicht verfügbare und recycelbare Elemente. Zudem behält eine der Varianten sowohl ihre Festigkeit als auch ihre Duktilität bei Temperaturen von bis zu 300 °C. Die Studie wurde kürzlich in Nature Communications veröffentlicht.

Die leistungsstärkste Legierung enthielt Aluminium, Eisen, Mangan und Titan. Sie übertraf alle anderen 3D-gedruckten Aluminiumwerkstoffe und vereinte Hochtemperaturfestigkeit mit Duktilität bei Raumtemperatur. „Der Entwurf fokussiert auf Eisen, das Metallurgen Aluminium üblicherweise nicht zusetzen, weil es das Metall spröde und korrosionsanfällig macht“, erklärt Naoki Takata, Hauptautor und Professor an der Graduiertenschule für Ingenieurwissenschaften der Universität Nagoya.

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Die innere Struktur von Aluminium mit 3D‑Druck neu denken

Dieser bedeutende Fortschritt ist das Ergebnis des Einsatzes der Laser‑Pulverbettfusion. Wie Professor Naoki Takata erklärt, erlaubt diese Technologie, Eisen und andere Elemente in metastabilen Formen „einzufangen“, was mit herkömmlichen Produktionsmethoden nicht möglich ist. Mit einem systematischen Konstruktionsansatz identifizierte das Forschungsteam die Elemente, die die Aluminium‑Matrix verstärken und schützende Mikro‑ und Nanostrukturen bilden können – und so Festigkeit und Hitzetoleranz verbessern, ohne die Druckbarkeit zu beeinträchtigen.

Die neu entwickelten Legierungen auf Basis von Aluminium und Eisen, angereichert mit Kupfer, Mangan und Titan, vereinen Leichtbau, hohe mechanische Festigkeit und Stabilität bei hohen Temperaturen. Das Legierungsdesign ermöglicht es den zugesetzten Elementen, die innere Struktur des Metalls zu verstärken und seine Duktilität zu verbessern – so lassen sich leistungsfähigere und langlebigere Komponenten herstellen. Zudem verwenden alle Legierungen recycelbare, kostengünstige Materialien, womit die Lösung nicht nur technologisch fortschrittlich, sondern auch ökologisch nachhaltig ist.

Professor Takata betonte außerdem: „Unsere Methode beruht auf etablierten wissenschaftlichen Prinzipien zum Verhalten von Elementen während der schnellen Erstarrung beim 3D-Druck und ist auf andere Metalle übertragbar. Die Legierungen erwiesen sich zudem als leichter 3D-druckbar als konventionelles hochfestes Aluminium, das bei der Fertigung häufig reißt oder sich verzieht.“

Leichtere, emissionsärmere Fahrzeuge

Die neuen Materialien könnten die Herstellung leichter Aluminiumkomponenten für Hochtemperaturanwendungen ermöglichen, etwa für Verdichterrotoren und Turbinenbauteile. Auch die Luft- und Raumfahrtindustrie könnte profitieren, da Flugtriebwerke Materialien benötigen, die geringes Gewicht mit Hitzebeständigkeit verbinden. Schließlich liefern diese Forschungen einen Rahmen für die Entwicklung neuer Metallklassen, die speziell für den 3D-Druck ausgelegt sind – was die Entwicklung in verschiedenen Industriezweigen beschleunigen könnte.

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