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Sep 17, 2023

Einsatz von 3D-Druck zur Stärkung von Strahltriebwerken

Skolkovo-Institut für Wissenschaft und Technologie, Moskau, Russland Skoltech-Ingenieure

Skolkowo-Institut für Wissenschaft und Technologie, Moskau, Russland

Skoltech-Ingenieure haben einen 3D-Drucker verwendet, um Proben von Bronze-Stahl-Legierungen herzustellen und deren mechanische Eigenschaften zu untersuchen, die der Materialwissenschaft bisher unbekannt waren. Durch die Kombination der unterschiedlichen Eigenschaften von Bronze und Stahl könnten die neuartigen Legierungen zur Herstellung von Brennkammern für Flugzeug- und Raketentriebwerke verwendet werden. Diese würden sowohl von der Fähigkeit des Stahls, extremen Temperaturen standzuhalten, als auch von der Fähigkeit der Bronze, Wärme aus der Kammer abzuleiten, profitieren.

„Der 3D-Druck ist vielversprechend für die Herstellung von Verbundwerkstoffteilen, da er über die Eigenschaften der beiden unterschiedlichen Materialien verfügt, aus denen der Verbundwerkstoff besteht“, sagte außerordentlicher Professor Igor Shishkovsky von Skoltech Materials. „Bedenken Sie zum Beispiel, dass Stahl den hohen Temperaturen standhält, die bei der Kraftstoffverbrennung in einem laufenden Motor entstehen. Das ist großartig, aber im Vergleich zu Bronze ist Stahl ein mäßiger Wärmeleiter, sodass das Motorkühlmittel ihm keine Wärme entziehen kann.“ Überhitzung und Schäden werden effektiv verhindert. Nun, mit dem 3D-Druck können Sie tatsächlich das Beste aus beiden Welten herausholen, indem Sie eine Brennkammer herstellen, die nahtlos von einer Bronze-Innenseite für ein besseres Temperaturmanagement zu einer Stahl-Außenseite für den Halt der Struktur übergeht zusammen."

Das Team berichtete über die erste Synthese einer Bronze-Stahl-Legierung mithilfe einer 3D-Drucktechnik namens Direct Laser Deposition, bei der pulverförmige Inhaltsstoffe mithilfe eines Laserstrahls an jedem nachfolgenden Punkt im Metallteil während seiner Herstellung geschmolzen und verschmolzen werden.

Tatsächlich kombinierte das Skoltech-Team Bronze und Stahl auf zwei verschiedene Arten – und so sowohl quasi-homogene Legierungen als auch Sandwichstrukturen. Bei ersterem sind die beiden Materialien in der gesamten Probe etwa gleichmäßig vermischt, während letzterer aus einer Reihe abwechselnder 0,25 mm dicker Schichten aus Bronze und Stahl besteht. Die Forscher verwendeten eine Stahlsorte, variierten jedoch deren Anteil in der Legierung von 25 bis 50 Prozent und experimentierten mit drei verschiedenen gängigen Bronzesorten.

Die Ergebnisse bestätigten, dass die beiden Materialien gut verschmolzen, ohne dass sich Defekte bildeten, und untersuchten die strukturellen und mechanischen Eigenschaften der Bronze-Stahl-Legierung. Dazu züchtete das Team vertikale Stäbe von unten nach oben und untersuchte deren Form, chemische Zusammensetzung und Mikrostruktur.

„Wenn etwas schief geht, kann es sein, dass sich die Form der Probe sichtbar verzerrt oder sie beim 3D-Druck in Schichten zerbricht. Das bedeutet normalerweise, dass entweder die verwendeten Materialien nicht geeignet sind oder die Bedingungen nicht richtig eingestellt wurden“, sagte Shishkovsky.

Da die Forscher bisher keine Probleme feststellen konnten, schnitten sie winzige Stücke aus verschiedenen Teilen der Proben heraus und untersuchten ihre innere Struktur mit optischer und Rasterelektronenmikroskopie. Die wichtigsten mechanischen Eigenschaften wurden dann in einer Vielzahl mechanischer Tests von Sandwich-Verbundwerkstoffen bis zu deren Zerstörung ermittelt.

„Nachdem wir bestätigt haben, dass Stahl und Bronze in einer Legierung kombiniert werden können und mit dem 3D-Druck mittels direkter Laserauftragung kompatibel sind, und wir die mechanischen Eigenschaften des neuen Materials kennen, können wir seine möglichen Anwendungen erkunden“, heißt es zunächst in der Studie Autor Konstantin Makarenko, Student, Skoltech Materials. „Perspektivisch möchte ich bei Skoltech eine Stahl-Bronze-Brennkammer herstellen und testen, aber darüber hinaus sind auch andere Artikel möglich und es könnten andere Metallkombinationen verwendet werden.“

„Der nächste Schritt wäre die Herstellung von Turbinenschaufeln aus einer verstärkten Superlegierung mit Kühlkanälen aus Bronze. Es geht darum, die Vorteile zweier unterschiedlicher Materialien in einem nahtlosen Produkt zu vereinen, ohne jegliche Schweiß- oder andere Verbindungsstellen.“

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Skoltech Communications unter Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt. Sie müssen JavaScript aktivieren, damit Sie es sehen können.; +7 495-280-1481.

Dieser Artikel erschien erstmals in der Juni-Ausgabe 2023 des Tech Briefs Magazine.

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