Billige Raketenteile bald per 3D-Druck erzeugt

Nanostruktur der gedruckten Titanlegierung (Illustration: Ma Qian, Simon Ringer et al.)

Melbourne/Sydney/Hongkong (pte020/01.06.2023/11:30) - Forscher der RMIT University ( https://www.rmit.edu.au/ ), der University of Sydney ( https://www.sydney.edu.au ), der Hong Kong Polytechnic University ( https://www.polyu.edu.hk ) und des Unternehmens Hexagon Manufacturing Intelligence ( https://hexagon.com/company/divisions/manufacturing-intelligence ) haben eine neue Titanlegierung entwickelt, die extrem fest ist, aber ohne teure Zusatzstoffe auskommt. Das neue Material wird auch unter Spannung nicht spröde, sodass keine Gefahr eines Materialversagens besteht. Legierungsbestandteile sind Sauerstoff und Eisen und nicht wie bisher Aluminium und Vanadium. Als Rohstoff kommt Titanschrott statt jungfräuliches Material zum Einsatz. Das senkt die Kosten.

Wiederverwertung von Titanabfällen

Titanlegierungen sind extrem fest und leicht, sodass sie breite Verwendung in der Luft- und Raumfahrt, der Biomedizin, der Chemietechnik, der Raumfahrt und der Energietechnik finden. Die Herstellung von Raketenteilen könnte sich dank der neuen Legierung deutlich verbilligen. "Die Wiederverwendung von Abfällen und minderwertigen Materialien hat das Potenzial, einen wirtschaftlichen Mehrwert zu schaffen und den hohen Kohlenstoff-Fußabdruck der Titanindustrie zu verringern", sagt Ma Qian von der Ingenieursschule der RMIT University, der die Entwicklung leitet.

Auf die Idee, Sauerstoff und Eisen zu verwenden, sind auch schon andere gekommen, doch deren Legierungen waren wegen ihrer Sprödigkeit unbrauchbar. Dazu kam, dass die Zugabe von Eisen zu schwerwiegenden Defekten führt, die die Stabilität beeinträchtigen. Das Team in Fernost hat beide Probleme gelöst, indem es die Bauteile mit "Laser Directed Energy Deposition", also per 3D-Druck, hergestellt hat. "Damit können wir Titanlegierungen erzeugen, die ein breites und einstellbares Spektrum an mechanischen Eigenschaften haben, leicht herstellbar sind und ein enormes Potenzial zur Emissionsreduzierung aufweisen", so Simon Ringer von der University of Sydney. Titan schmilzt erst bei 1.668 Grad Celsius.

Zwei Zonen prägen die Eigenschaften

Durch die gewählte additive Fertigung entstehen in der Legierung Zonen mit hohem Sauerstoffgehalt, die sehr fest sind, und solche mit wenig Sauerstoff, die duktil sind, was das Gegenteil von spröde ist. "Die Sauerstoffversprödung ist nicht nur für Titan, sondern auch für andere wichtige Metalle wie Zirkonium, Niob und Molybdän und deren Legierungen eine große metallurgische Herausforderung", sagt Zibin Chen, der in den späteren Phasen der Zusammenarbeit von der University of Sydney zur Hong Kong Polytechnic University wechselte. "Unsere Arbeit könnte ein Vorbild dafür sein, das Problem der Sauerstoffversprödung auch bei anderen Metallen zu entschärfen."

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