Wissenschaftler haben eine neue Methode entwickelt, um stärkere Metalle für den Einsatz in extremen Umgebungen wie Turbinen zur Stromerzeugung herzustellen. Durch den Einsatz von 3D-Druck und Neutronentechnologie zur Analyse des Metalls stellten sie fest, dass eine Wärmebehandlung die Spannung im Metall reduzieren und es dadurch haltbarer machen kann.

Neutronenexperimente haben mikroskopische Details einer speziellen 3D-gedruckten Superlegierung enthüllt, die das Potenzial hat, die Komponentenkosten zu senken. (Das 3D-gedruckte Metallmuster ist etwa 10 cm breit). Die gedruckten und wärmebehandelten Proben werden auf einer Unterlage montiert und einem Neutronenstrahl ausgesetzt, um Restspannungen oder Unregelmäßigkeiten wie Risse oder Hohlräume zu analysieren, die während des Herstellungsprozesses entstehen. Quelle: Oak Ridge National Laboratory

Extreme Anwendungen wie fortschrittliche Gasturbinen zur Stromerzeugung erfordern ebenso anspruchsvolle Materialien. In dieser Studie untersuchten Wissenschaftler die Stresseffekte einer innovativen „Superlegierung“, die aus zwei hochfesten, hochtemperaturbeständigen Metallen besteht. Das Team hat diese Legierungen mithilfe der 3D-Drucktechnologie hergestellt, bei der Metallpulver mithilfe von Lasern in bestimmte Formen gebracht wird. Anschließend analysierten sie mithilfe von Neutronen die innere Struktur des gedruckten Metalls.

Untersuchungen haben ergeben, dass eine Wärmebehandlung die während des Herstellungsprozesses entstehenden Spannungen wirksam abbauen kann. Darüber hinaus ergab die Studie, dass diese Spannungen stärker von spezifischen Herstellungsparametern als von der chemischen Zusammensetzung des Metalls beeinflusst werden.

Das Forschungsteam nutzte die laserbasierte 3D-Drucktechnologie geschickt, um eine Legierung aus zwei verschiedenen Metallen (Inconel 718 und Rainey 41) ohne Risse herzustellen. Neutronenexperimente haben zur Entwicklung einer verbesserten Methode zur genauen und effizienten Bewertung des Spannungsniveaus in Metallen während des gesamten Herstellungsprozesses geführt. Die Erkenntnisse werden dazu beitragen, stärkere, fortschrittlichere Legierungen herzustellen, deren Herstellung kostengünstiger ist. Diese Legierungen sind für Anwendungen in extremen Umgebungen von entscheidender Bedeutung.

Additive Fertigung oder 3D-Druck ist eine neue Methode zur schichtweisen Herstellung von Metallteilen und anderen Arten von Materialien. Das Forschungsprojekt, eine Zusammenarbeit zwischen Forschern der General Electric Company, des Edison Welding Institute und des Oak Ridge National Laboratory (ORNL), druckte eine Legierung aus Inconel 718 und Raney 41 an beiden Enden mit einem in der Zusammensetzung abgestuften Bereich in der Mitte. In der Studie wurden Spannungs- und Zusammensetzungsänderungen in der Legierung bewertet. Zu diesem Zweck führten Forscher Neutronenexperimente an der Swelling Neutron Source (SNS) und dem High Flux Isotope Reactor (HFIR) am ORNL durch, beides Nutzereinrichtungen des DOE Office of Science. Neutronen eignen sich ideal zur Untersuchung der inneren Spannungen von Materialien, da sie dichte Metalle durchdringen können.

Mit dem VULCAN-Diffraktometer von SNS und dem MARS-Imager von HFIR maßen die Forscher die Verteilung der Restgitterspannung, um zu verstehen, wie sich die Restspannung und Zusammensetzung des Materials während verschiedener Verarbeitungsstufen ändert. Neutronenstudien haben gezeigt, dass Eigenspannungen hauptsächlich durch den Herstellungsprozess verursacht werden und durch Wärmebehandlung gemildert werden können. Studien haben ergeben, dass die Belastung umso größer ist, je länger die Laserverweildauer oder je höher die Energie ist. Die Neutronenforschung hat dem Unternehmen auch dabei geholfen, eine effizientere Methode zur Analyse von Metallen zu entwickeln, wodurch sie mithilfe der additiven Fertigung für die Herstellung besserer Teile zu geringeren Kosten nützlicher werden.

Zusammengestellt von/SciTechDaily

DOI:10.3389/ftmal.2022.1070562