der 3D-Druck kann problemlos metallische Bauteile mit komplexen Strukturen und geringem Gewicht herstellen, was für hochmoderne Geräte der nächsten Generation – wie Flugzeuge und Raumfahrzeuge –, die auf Gewichtsreduktion und Integration abzielen, äußerst attraktiv ist. Metallbauteile, die mittels 3D-Druck gefertigt werden, weisen jedoch in der Regel einen gravierenden Nachteil auf: eine schlechte Ermüdungsbeständigkeit, d. h. sie neigen unter zyklischer Belastung zur Ermüdungsbruchbildung, was ihre Einsatzmöglichkeiten in Schlüsselanwendungen stark einschränkt. Kürzlich hat ein Team unter der Leitung der Forscher Zhang Zhefeng und Zhang Zhenjun vom Institut für Metallforschung der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (IMR, CAS) eine neue Nachbearbeitungstechnologie für den 3D-Druck entwickelt. Das aus einer Titanlegierung hergestellte Material, das mittels dieser NAMP-Technologie erzeugt wird, weist unter verschiedenen Spannungsverhältnissen eine beispiellose Ermüdungsbeständigkeit auf; seine umfassende Ermüdungsleistung übertrifft die aller bekannten metallischen Werkstoffe und beseitigt damit eine wesentliche Hürde für den Einsatz der 3D-Drucktechnologie in hochpräzisen und hochmodernen Anwendungsfeldern. Die entsprechenden Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Science Advances“ veröffentlicht.
Anfang 2024 entwickelte das Team ein neues NAMP-Verfahren, mit dem sich die innere Struktur und die Defekte von Materialien präzise steuern lassen. Ti-6Al-4V, eine der am häufigsten verwendeten Titanlegierungen, die mit diesem Verfahren hergestellt wird, kann sowohl Mikroporen als auch grobe Mikrostrukturen eliminieren – beides sind die Hauptursachen für Ermüdung. Dieses neue Material stellte einen neuen Weltrekord für die „spezifische Ermüdungsfestigkeit“ unter „Zug-Zug“-Spannungsverhältnis-Bedingungen auf.
Allerdings sind reale Bauteile wie Flugzeugtriebwerksschaufeln und Fahrwerke extrem komplexen Spannungszuständen ausgesetzt, die nicht nur „Zug-Zug“-, sondern auch „Zug-Druck“-Szenarien umfassen – das heißt, das Spannungsverhältnis ist variabel. Unterschiedliche Spannungsverhältnisse können unterschiedliche Schädigungsmechanismen innerhalb des Werkstoffs auslösen. Die Mikrostrukturen herkömmlicher Titanlegierungen weisen oft Einschränkungen auf: Sie zeigen nur bei bestimmten, spezifischen Spannungsverhältnissen eine gute Leistung, während sie bei veränderten Spannungsverhältnissen unterdurchschnittlich abschneiden. Dies erschwert die Herstellung eines Werkstoffs erheblich, der unter allen Betriebsbedingungen zuverlässig performt.
Angesichts dieser komplexeren Herausforderung identifizierte das Forschungsteam mehrere Schwachstellen in Titanlegierungen, die anfällig für Ermüdungsrisse sind, sowie die Belastungsarten, unter denen diese auftreten. Mithilfe des NAMP-Verfahrens stellten sie nahezu porenfreie 3D-gedruckte Strukturen her, die sämtliche Schwachstellen gleichzeitig optimieren können. Diese 3D-gedruckte Titanlegierung zeichnet sich durch die Eigenschaft aus, bei vollständigem Spannungsverhältnis eine hohe Ermüdungsfestigkeit aufrechtzuerhalten.
Experimentelle Daten zeigen, dass bei Ermüdungstests unter verschiedenen Spannungsverhältnissen die Ermüdungsfestigkeit dieses neuen Materials nicht nur die aller Titanlegierungen übertrifft, sondern auch ihre „spezifische Ermüdungsfestigkeit“ insgesamt allen metallischen Werkstoffen überlegen ist – ein neuer Weltrekord.
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