Forscher haben gezeigt, dass eine neuartige 3D-gedruckte Superlegierung dazu beitragen könnte, die CO2-Emissionen von Kraftwerken zu reduzieren und gleichzeitig mehr Strom zu erzeugen. Sandia National Laboratories hat in Zusammenarbeit mit Forschern des Ames National Laboratory, der Iowa State University und der Bruker Corp. eine Hochleistungsmetalllegierung hergestellt, die stärker und leichter ist als die derzeit in Gasturbinen verwendeten Materialien.
Hitzebeständig bis 800 Grad Celsius
Besagte Superlegierung besteht aus 42 % Aluminium, 25 % Titan, 13 % Niob, 8 % Zirkonium, 8 % Molybdän und 4 % Tantal und widersteht Temperaturen bis zu 800.°C Die Ergebnisse könnten den Energiesektor sowie die Luft- und Raumfahrt- und Automobilindustrie beeinflussen. Zudem zeigen sie, dass es eine neue Klasse ähnlicher Legierungen gibt, die noch auf ihre Entdeckung warten. Die additive Fertigung ermöglichte es dem Team, schnell und effizient neue Materialien herzustellen, aber die Skalierbarkeit und Kosten bleiben eine Herausforderung für die zukünftige Anwendung dieser Legierung.
Wir zeigen, dass mit diesem Material bisher unerreichte Kombinationen aus hoher Festigkeit, geringem Gewicht und hoher Temperaturbeständigkeit möglich sind”, so Andrew Kustas, einer der Wissenschaftler bei Sandia. “Wir glauben, dass wir dies zum Teil durch den additiven Fertigungsansatz erreicht haben.”
Weniger Kohlenstoffemissionen durch höhere Temperaturen
Ein wichtiger Faktor bei der Stromerzeugung in Kraftwerken ist die Wärme, die benötigt wird, um die Turbinen anzutreiben. Der Wirkungsgrad von Kraftwerken wird durch die Temperatur der Metallteile der Turbinen begrenzt. Wenn die Turbinen bei höheren Temperaturen arbeiten können, kann mehr Energie in Strom umgewandelt werden, während gleichzeitig weniger Abwärme an die Umwelt abgegeben wird. Die neue Superlegierung widersteht großer Hitze und ist bei 800 Grad Celsius fester als viele andere Hochleistungslegierungen.
“Dies ist also ein Gewinn für eine wirtschaftlichere Energieversorgung und für die Umwelt”, sagte Sal Rodriguez, Nuklearingenieur von Sandia, der nicht an der Forschung beteiligt war.
Potenzial für weitere Branchen
Neben dem Energiesektor könnten auch andere Branchen von der neuen Superlegierung profitieren. Die Luft- und Raumfahrtindustrie sucht nach leichten Materialien, die auch bei großer Hitze stabil bleiben. Doch auch die Automobilindustrie könnte die Legierung in verschiedenen Bauteilen einsetzen. Das Potenzial der neuen Legierung ist enorm, und es ist wahrscheinlich, dass in Zukunft weitere ähnliche Legierungen entdeckt werden.
“Die elektronische Strukturtheorie unter der Leitung des Ames Lab konnte ein Verständnis für die atomaren Ursprünge dieser nützlichen Eigenschaften liefern, und wir sind nun dabei, diese neue Klasse von Legierungen zu optimieren, um die Herausforderungen bei der Herstellung und Skalierbarkeit zu bewältigen”, so Nic Argibay, einer der Wissenschaftler am Ames Lab.
Additive Fertigung ermöglicht schnelle und effiziente Herstellung
Die Entdeckung der neuen Superlegierung unterstreicht auch die Veränderungen in der Materialwissenschaft, welche durch die additive Fertigung oder 3D-Druck möglich geworden sind. So ist die additive Fertigung als vielseitige und energieeffiziente Fertigungsmethode bereits erprobt, die zudem auch zur schnellen und effizienten Herstellung neuer Materialien eingesetzt werden kann.
Herausforderungen bei Skalierbarkeit und Kosten
Die neue Superlegierung stellt jedoch auch einige Herausforderungen dar. Insbesondere die Herstellung in großen Mengen ohne mikroskopisch kleine Risse könnte sich als schwierig erweisen, was eine häufige Herausforderung in der additiven Fertigung darstellt.
Darüber hinaus erweisen sich die Materialien, aus denen diese Legierung besteht als sehr kostspielig, weshalb diese sich möglicherweise nicht für Konsumgüter eignet.
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