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Einkristallines Nickel mit Lasern drucken

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Ein Forscherteam des National Institute for Materials Science und der Osaka University Graduate School of Engineering in Japan hat erfolgreich die Herstellung von einkristallinem Nickel mit additiver Fertigung demonstriert und hofft auf Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt.

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Einkristalline Metalle sind für Anwendungen, die hohen Belastungen und hohen Temperaturen ausgesetzt sind, wie z. B. in einem Düsentriebwerk, sehr beliebt. Außerdem brechen sie bei der Herstellung weniger. In der Regel werden sie durch Gießen hergestellt.

Herkömmliche Turbinenschaufeln waren früher polykristallin, d. h. das Legierungsmaterial besteht aus Zufallskristallen, die sich beim Abkühlen der gegossenen Schaufel bilden. Die Grenzflächen zwischen diesen zufälligen Körnern werden als Korngrenzen bezeichnet und sind eine Schwachstelle im Mikrogefüge des Werkstoffs.

Eine Lösung für dieses Problem wurde gefunden, indem das Wachstum der Kristallkeime sorgfältig durch geometrische Merkmale in der Form gesteuert wurde, um die erstarrende Schaufel in einen Einkristall zu lenken.

Einkristalle sind besser für die Festigkeit und die thermische Stabilität, und in einem Flugzeug bedeutet dies eine höhere Effizienz.

Das Bild des geformten zylindrischen Kristalls sehen Sie in der Grafik unten.

Frühere Forschungsarbeiten auf diesem Gebiet haben gezeigt, dass diese Einkristalle mit dem Elektronenstrahlschmelzen hergestellt werden können, aber aufgrund der Vakuumanforderungen des EBM ist es als breitere Lösung unerschwinglich.

Die Forscher haben stattdessen das Laser-Pulverbettschmelzen verwendet, und durch eine Veränderung des Lasers ist es ihnen gelungen, die Kristalle so zu drucken, dass sie mit der Kristallachse ausgerichtet sind.

Konkret verwendeten sie einen Flat-Top-Laserstrahl, der über einen Querschnitt des Strahls eine gleichmäßige Intensität liefert, was dazu führt, dass sich auf dem Metallpulver ein flaches Schmelzbad bildet, was die korrekte Ausrichtung der gebildeten Kristalle fördert.

Ein Laser mit gaußförmiger Intensitätsverteilung führt dagegen zu mehr Kristalldefekten und einer eher zufälligen Ausrichtung der Körner.

Das Ergebnis der Verwendung des Flat-Top-Lasers ist die Fähigkeit, Einkristalle ohne Korngrenzen zu erzeugen, die bei hohen Temperaturen, wie sie in Düsentriebwerken üblich sind, stabil sind.

Wie bereits erwähnt, werden bei der traditionellen Kristallzüchtung Impfkristalle und geometrische Merkmale in der Form verwendet, um das Kristallwachstum zu steuern. Ein Vorteil der additiven Fertigung zur Herstellung von Einkristallmetallen ist, dass die Keimphase entfällt.

Mit dieser Technik kann eine Vielzahl von einkristallinen Werkstoffen hergestellt werden, darunter hitzebeständige Materialien für Düsentriebwerke und Gasturbinen.

Das 3D-Druckverfahren mit dem Flat-Top-Laser kann auch mit anderen Metallen und Legierungen eingesetzt werden, um eine Reihe von Einkristallen zu erzeugen, die sich perfekt für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt und der Energieerzeugung eignen, z. B. für Düsentriebwerke und Gasturbinen.

Die Veröffentlichung mit dem Titel "Manufacturing single crystals of pure nickel via selective laser melting with a flat-top laser beam" (Herstellung von Einkristallen aus reinem Nickel durch selektives Laserschmelzen mit einem flachen Laserstrahl) in der Zeitschrift Additive Manufacturing Letters finden Sie unter diesem Link https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772369022000408