I framtiden, nya designlegeringar för rymdapplikationer kan tillverkas med hjälp av 3D-lasersmältningsprocessen (additiv tillverkning). Pionjärarbete inom detta område tillhandahålls av Empa -forskaren Christoph Kenel, som arbetar idag vid Northwestern University (Chicago). Empa tilldelar honom Research Award 2017.

Titan-aluminiumlegeringar kombinerar låg densitet, hög hållfasthet och oxidationsbeständighet vid förhöjda temperaturer och är därför av hög teknisk relevans t.ex. inom flygteknik. Målet med Christoph Kenels tilldelade doktorsavhandling var att utveckla en ny legering av titanaluminid (TiAl), särskilt för användning i strålbaserad additiv tillverkningsteknik, och att inkludera oxiddispersoider i nanostorlek för att förbättra deras mekaniska egenskaper vid hög temperatur. Christoph Kenels forskning övervakades av Christian Leinenbach vid Empas laboratorium för avancerade materialbearbetning.

Ämnet är mycket utmanande, eftersom TiAl -legeringar i sig är spröda vid rumstemperatur, och de snabba stelningsförhållandena under AM kan leda till komplexa fasomvandlingssekvenser, uttalad elementsegregering och sprickbildning. Oxiddispersionsförstärkta (ODS) legeringar är en materialklass som erbjuder en oöverträffad kombination av deformations-, krypa-, grov- oxidations- och korrosionsbeständighet vid temperaturer upp till 1, 000 ° C.

Legeringar som inte är möjliga genom klassisk gjutning

Dock, tillverkning av komponenter med ODS -legeringar är för närvarande utsatt för allvarliga ekonomiska och tekniska hinder. Konventionell visdom är att klassisk pulvermetallurgi är den enda tillgängliga metoden för att skapa ODS-legeringar från pulver till vilka oxider tillsattes via kulfräsning i en ren solid state-process:om dessa kompositpulver smälts, deras oxiddispersoider går förlorade genom en eller flera av grovningar, upplösning, agglomerering till interdendritiskt utrymme och flytande till götets yta ('slagging'). Bearbetning av ODS TiAl är således en verkligt krävande uppgift.

Dr Kenel bestämde sig för ett nytt tillvägagångssätt för att utveckla en TiAl -legering speciellt för additiv tillverkningsprocessen (AM). I allmänhet, AM-bearbetningsparametrarna är optimerade för ett givet material på ett försök-och-fel-sätt, men det har varit känt att detta tillvägagångssätt ofta misslyckas. Med tanke på oxiddispersoiderna, Kenel och hans kollegor antog att laserbaserad AM framgångsrikt kan användas för att skapa bulkprover från oxiddispersoidhaltiga pulver, eftersom den mycket korta smälttiden och mycket snabb stelning skulle hålla oxiddispersoiderna väl dispergerade i legeringskornen.

I hans arbete, Dr Kenel använde beräkningsmetoder (beräkningstermodynamik, ändliga elementmetoder) för simulering av fasomvandlingarna i binära Ti-Al och ternära Ti-Al-Nb och Ti-Al-Mo legeringar, respektive, under de mycket speciella uppvärmnings- och kylförhållandena under AM. Han utvecklade sedan sofistikerade nya experiment inklusive in situ synkrotronröntgenmikrodiffraktionsmetoder under laseruppvärmning, låter honom systematiskt studera fas- och mikrostrukturbildningen i utvalda legeringar under väldefinierade och simulerade AM-förhållanden med en aldrig tidigare skådad tidsupplösning. Detta har inte gjorts tidigare.