In de toekomst, nieuwe designlegeringen voor ruimtevaarttoepassingen kunnen worden vervaardigd met behulp van het 3D-lasersmeltproces (Additive Manufacturing). Baanbrekend werk op dit gebied werd geleverd door Empa-onderzoeker Christoph Kenel, die vandaag werkt aan de Northwestern University (Chicago). Empa kent hem de Research Award 2017 toe.

Titan-aluminiumlegeringen combineren lage dichtheid, hoge sterkte en oxidatieweerstand bij verhoogde temperaturen en zijn daarom van groot technisch belang, b.v. in de lucht- en ruimtevaarttechniek. Het doel van het toegekende proefschrift van Christoph Kenel was het ontwikkelen van een nieuwe titanium aluminide (TiAl) legering, in het bijzonder voor gebruik in op bundels gebaseerde additieve fabricagetechnologieën, en om oxide-dispersoïden van nanogrootte op te nemen om hun mechanische eigenschappen bij hoge temperatuur te verbeteren. Het onderzoek van Christoph Kenels werd begeleid door Christian Leinenbach in Empa's Advanced Materials Processing-laboratorium.

Het onderwerp is zeer uitdagend, aangezien TiAl-legeringen inherent bros zijn bij kamertemperatuur, en de snelle stollingsomstandigheden tijdens AM kunnen leiden tot complexe fasetransformatiesequenties, uitgesproken element segregatie en kraken. Met oxide dispersie versterkte (ODS) legeringen zijn een klasse van materialen die een ongeëvenaarde combinatie van vervormings-, kruipen-, vergroving- oxidatie- en corrosiebestendigheid bij temperaturen tot 1, 000 °C.

Legeringen niet haalbaar door klassiek gieten

Echter, de fabricage van componenten met ODS-legeringen is momenteel onderhevig aan ernstige economische en technische belemmeringen. Conventionele wijsheid is dat klassieke poedermetallurgie de enige beschikbare methode is om ODS-legeringen te maken van poeders waaraan oxiden werden toegevoegd via kogelmalen in een puur vastestofproces:als deze composietpoeders waren gesmolten, hun oxide-dispersoïden gaan verloren via een of meer verruwing, ontbinding, agglomeratie in de interdendritische ruimte en drijvend naar het oppervlak van de ingots ('slakken'). De verwerking van ODS TiAl is dus een veeleisende taak.

Dr. Kenel koos voor een nieuwe benadering om een ​​TiAl-legering te ontwikkelen, specifiek voor het additieve fabricageproces (AM). In het algemeen, de AM-verwerkingsparameters worden op een proefondervindelijke manier geoptimaliseerd voor een bepaald materiaal, maar het is bekend dat deze benadering vaak faalt. Gezien de oxide-dispersoïden, Kenel en zijn collega's veronderstelden dat op laser gebaseerde AM met succes kan worden gebruikt om bulkmonsters te maken van oxide-dispersoïde-bevattende poeders, aangezien de zeer korte smelttijd en de zeer snelle stolling de oxidedispersoïden goed gedispergeerd zouden houden in de legeringskorrels.

In zijn werk, Dr. Kenel gebruikte computationele methoden (computationele thermodynamica, eindige elementenmethoden) voor het simuleren van de fasetransformaties in binaire Ti-Al en ternaire Ti-Al-Nb en Ti-Al-Mo legeringen, respectievelijk, tijdens de zeer speciale verwarmings- en koelomstandigheden tijdens AM. Vervolgens ontwikkelde hij geavanceerde nieuwe experimenten, waaronder in situ synchrotron röntgenmicrodiffractiemethoden tijdens laserverwarming, waardoor hij de fase- en microstructuurvorming in geselecteerde legeringen systematisch kan bestuderen onder goed gedefinieerde en gesimuleerde AM-omstandigheden met een ongekende temporele resolutie. Dit is niet eerder gedaan.