1 Festigkeit und Zähigkeit bei hohen Temperaturen
In der Luft- und Raumfahrtindustrie wird die Materialleistung stark anhand der Festigkeit und Zähigkeit unter Hochtemperaturbedingungen beurteilt. Für den Metall-3D-Druck müssen Hochtemperaturmaterialien auch bei sehr hohen Temperaturen – also über 1000 Grad C – eine ausreichende Festigkeit und Zähigkeit aufweisen. Dies erfordert neben dem hohen Schmelzpunkt des Stoffes selbst eine stabile Kristallstruktur und Mikrostruktur bei hohen Temperaturen, um Ausfälle durch thermische Verformung oder thermische Ermüdung zu verhindern.
Beispielsweise werden im Luft- und Raumfahrtsektor aufgrund ihrer hervorragenden Hochtemperaturfestigkeit und Zähigkeit in großem Umfang Hochtemperaturlegierungen auf Nickelbasis, einschließlich In625 und In718, eingesetzt. Mithilfe der Metall-3D-Drucktechnologie können aus diesen Legierungen Komponenten mit komplizierten Geometrien hergestellt werden, wie etwa Triebwerksturbinenschaufeln und Brennkammern, die bei enormen Temperaturen laufen und Materialien mit hervorragender Hochtemperaturleistung erfordern.
2 Beständigkeit gegen Oxidation und Korrosion
Die Reaktion zwischen Materialien und Sauerstoff beschleunigt sich bei hohen Temperaturen und führt zu Oxidation und Korrosion. Um die Lebensdauer der Bauteile zu verlängern, müssen Hochtemperaturmaterialien für den Metall-3D-Druck eine hohe Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Das Material muss bei hohen Temperaturen einen stabilen Oxidfilm entwickeln, um zu verhindern, dass Sauerstoff das Substratmaterial weiter korrodiert, und so die antioxidative Leistung zu verbessern. Materialien mit Korrosionsbeständigkeit müssen unter anspruchsvollen Bedingungen wie hohen Temperaturen, großem Druck und korrosiven Flüssigkeiten eine gute Leistung erbringen.
Mithilfe der Metall-3D-Drucktechnologie können die im Luft- und Raumfahrtsektor häufig verwendeten Materialien wie Titanlegierungen und Edelstahl hinsichtlich ihrer Mikrostruktur optimiert und hinsichtlich Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit verbessert werden. Aufgrund ihrer hohen Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit kommt Titanlegierung beispielsweise häufig im Flugzeugbereich zum Einsatz. Anspruchsvollere und kompliziertere Konstruktionen, die durch 3D-Drucktechnologien möglich werden, tragen dazu bei, die Korrosionsbeständigkeit von Bauteilen zu erhöhen.
3 Wärmeausdehnungskoeffizient und Stabilität
Eine gute thermische Stabilität ist eine weitere Anforderung an Hochtemperaturmaterialien für den 3D-Metalldruck. Das heißt, die Leistung des Materials ändert sich im Laufe der Zeit bei hohen Temperaturen kaum. Um Leistungseinbußen durch thermische Alterung zu verhindern, ist eine stabile Kristallstruktur und chemische Zusammensetzung des Materials bei hohen Temperaturen erforderlich. Da er bei hohen Temperaturen einen direkten Einfluss auf die Maßhaltigkeit und Montagegenauigkeit der Bauteile hat, ist auch der thermische Ausdehnungskoeffizient des Materials ein entscheidender Faktor.
In diesem Sinne sind Nickel- und Eisenbasis-Hochtemperaturlegierungen recht erfolgreich. Bei hohen Temperaturen weisen sie nicht nur einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, sondern auch eine hohe thermische Stabilität auf und gewährleisten so die Maßhaltigkeit und Montagekorrektheit der Komponenten in solchen Umgebungen. Diese Eigenschaften machen Hochtemperaturlegierungen auf Eisen- und Nickelbasis zur idealen Wahl für den metallischen 3D-Druck von Hochtemperaturmaterialien im Luft- und Raumfahrtsektor.
4 Bedarf an Nachbearbeitung und Materialhandhabung
Während die Metall-3D-Drucktechnologie große Designfreiheit bietet, müssen bei der Verarbeitung von Hochtemperaturmaterialien dennoch die Verarbeitungsleistung und die Nachbearbeitungsanforderungen der Materialien berücksichtigt werden. Hohe Schmelzpunkte und schlechte Fließfähigkeit von Hochtemperaturmaterialien erfordern hohe Standards für Druckmaschinen und Prozessparameter. Daher sind überlegene Pulverfließfähigkeit, Schmelz- und Erstarrungseigenschaften sowie eine vorhersehbare Entwicklung der Mikrostruktur Anforderungen an Hochtemperaturmaterialien für den 3D-Druck von Metallen.
Darüber hinaus besteht ein recht erheblicher Nachbearbeitungsbedarf für Hochtemperaturmaterialien im Metall-3D-Druck. Um Restspannungen zu beseitigen, die Mikrostruktur zu maximieren und die Leistung zu steigern, sind geeignete Wärmebehandlungstechniken erforderlich, da Hochtemperaturmaterialien bei hohen Temperaturen empfindlich auf thermische Verformung und Rissbildung reagieren. Bei Bauteilen mit komplizierten geometrischen Formen helfen inzwischen auch Methoden der Oberflächenbehandlung und Präzisionsbearbeitung dabei, Designkriterien zu erfüllen.
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