Purdue-Ingenieure entwickeln ultrastarke Aluminiumlegierungen für den 3D-Druck

BerlinIngenieure der Purdue University haben eine neue Methode zur Herstellung von extrem starken Aluminiumlegierungen entwickelt, die sich für den 3D-Druck eignen. Diese Technik nutzt die plastische Verformbarkeit der Legierungen. Die Forschung wurde von Haiyan Wang und Xinghang Zhang geleitet, mit Unterstützung des Doktoranden Anyu Shang.

Branchen wie die Luft- und Raumfahrt sowie die Automobilindustrie setzen auf Aluminiumlegierungen, weil diese leicht und robust sind. Doch ein großes Problem dieser Legierungen ist, dass sie bei der Wärmebehandlung während des additiven Fertigungsverfahrens leicht Risse bekommen, was die Metallqualität beeinträchtigen kann.

Um dies zu beheben, verwenden herkömmliche Methoden Partikel, um Aluminiumlegierungen zu verstärken. Dennoch erreichen diese Legierungen nur eine Festigkeit von 300 bis 500 Megapascal, was deutlich schwächer ist als die 600 bis 1.000 Megapascal von Stahl.

Das Team der Purdue-Universität fügte Übergangsmetalle wie hinzu:

• Kobalt
• Eisen
• Nickel
• Titan

Diese Metalle bilden winzige, schichtartige, flexible Verbindungen mit Aluminium. Dies ist neu und faszinierend, da:

• Diese intermetallischen Verbindungen haben Kristallstrukturen mit niedriger Symmetrie und sind bei Raumtemperatur typischerweise spröde.
• Nanoskalige Lamellenstrukturen mildern diese Sprödigkeit ab.
• Sie formen feine Rosetten, was die Gesamtfestigkeit der Legierung verbessert.

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Der neue Ansatz ermöglicht die Herstellung verschiedener kleiner Strukturen. Diese verfügen über winzige, harte Metallstücke in einem größeren Aluminiumrahmen. Laut Shang führt dies zu einer hohen Widerstandsfähigkeit und somit zu einer verbesserten Fähigkeit, Deformationen standzuhalten.

Tests haben gezeigt, dass diese Methode ausgezeichnet funktioniert.

• Makroskalige Kompressionstests zeigten bemerkenswerte Plastizität und eine Festigkeit von über 900 Megapascal.
• Mikrosäulentests wiesen auf erheblichen Rückspannungen hin, wobei bestimmte Bereiche Durchflussspannungen von über einem Gigapascal aufwiesen.
• Nach der Verformung wurden komplexe Versetzungsstrukturen und Stapelfehler in spröden Intermetallischen entdeckt.

Die Untersuchung wurde in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht. Die Patentbeantragung übernahm das Office of Technology Commercialization der Purdue University. Das Projekt wurde durch die National Science Foundation und das U.S. Office of Naval Research finanziert.

Diese Verbesserung könnte die Aluminiumlegierungen verwendenden Industrien revolutionieren. Dank 3D-Druck lassen sich stärkere und flexiblere Materialien auf vielfältigere Weise einsetzen.