Entwicklung von Hochtemperatur-Aluminiumlegierungen: Innovationen des MIT und US-Laboratorien
Aktuelle Meldungen belegen, dass ein Forscherteam des MIT (Massachusetts Institute of Technology) eine neue Aluminiumlegierung mittels Pulvermetallurgie entwickelt hat. Diese Legierung zeichnet sich durch eine hohe mechanische Festigkeit von bis zu fast 400 MPa bei Raumtemperatur aus und behält ihre guten Eigenschaften bis über 400 °C bei, was ihr eine sehr hohe metallurgische Leistungsfähigkeit verleiht.
Die in der Fachzeitschrift „Advanced Materials“ veröffentlichte Studie beschreibt detailliert den Entwicklungsprozess der Legierung, an dem auch Forscher der Universität Paderborn und der Carnegie Mellon University beteiligt waren.
Die neue Aluminiumlegierung des MIT: Eigenschaften und Anwendungen
Laut Aussagen von Professor Mohadeseh Taheri-Mousavi, Projektleiter am MIT und jetzt Assistenzprofessor an der Carnegie Mellon University, und Professor John Hart, Direktor der Abteilung für Maschinenbau des großen Universitätszentrums, eröffnet das außergewöhnliche Ergebnis zahlreiche Möglichkeiten für neue Anwendungen des Leichtmetalls in strategischen Sektoren.
Die neue Aluminiumlegierung des MIT könnte die Luft- und Raumfahrt-, Automobil- und Bauindustrie revolutionieren. Forscher prognostizieren beispielsweise, dass sie leichtere und hitzebeständigere kritische Bauteile wie Turbinenschaufeln für Strahltriebwerke ermöglichen wird.
Aktuell werden Rotorblätter aus Titan gefertigt, einem Material, das über 50 % schwerer und bis zu zehnmal teurer als Aluminium ist, oder aus modernen Verbundwerkstoffen. Diese Ansichten wurden von Professor Xinghang Zhang von der Fakultät für Materialwissenschaften der Purdue University (Indiana, USA) bestätigt, der erneut betonte, dass die neue Legierung die gesamte Industrie, insbesondere die Automobil- und Luftfahrtindustrie, revolutionieren könnte.
Der Entwicklungsprozess: KI und fortschrittliche Ingenieurskunst
Die neue Leichtmetalllegierung wurde mithilfe modernster Werkzeuge der heutigen Metallurgie entwickelt, wie etwa künstlicher Intelligenz und hochentwickelten Ingenieurtechniken, um die am besten geeignete chemische Zusammensetzung aus den möglichen Varianten hinsichtlich der Legierungskomponenten und geeigneter Produktionsmethoden auswählen zu können.
Um die optimalen mikrostrukturellen Ziele für die erwarteten Leistungseigenschaften zu erreichen, wurde das Grundmetall mit Siliziumdioxidpartikeln laserbeschossen. Durch die Erzeugung von „Verzerrungen und Defekten“ in der kristallinen Grundgeometrie – also Mikrostrukturvariationen im Nanometerbereich, also Millionstel Millimetern – wird mit dieser Technik eine höhere mechanische Festigkeit sowohl bei Raumtemperatur als auch bei hohen Temperaturen erzielt.
Es ist offensichtlich, dass all dies auf dem signifikanten Zuwachs an metallurgischem Wissen über Werkstoffe und den in den letzten Jahrzehnten verfügbaren neuen Instrumenten beruht. Diese Möglichkeiten festigen das Bild von Aluminium als Werkstoff der kommenden Jahrzehnte: Es ist nicht nur leicht, weit verbreitet, formbar und recycelbar, sondern bietet auch eine hohe mechanische Festigkeit.
Die Entwicklung von Hochtemperatur-Aluminiumlegierungen stellt daher ein strategisches Forschungsfeld dar, um die Anwendungsmöglichkeiten des Leichtmetalls in Bereichen zu erweitern, die bisher durch die thermischen Grenzen traditioneller Legierungen ausgeschlossen waren.
Vom Schrott zum Strangpressprofil: die neue ShAPE™-Technologie
Ein weiteres wichtiges neues Forschungsergebnis im Bereich der Leichtmetallurgie wurde von Wissenschaftlern des Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) in den USA erzielt. Dieses bahnbrechende Verfahren beinhaltet eine neue Technik zur direkten Umwandlung von Aluminiumschrott in eine Festphasenlegierung – ohne Gießereibehandlung und ohne Schmelzen.
Das neue Verfahren, genannt Shear Assisted Processing and Extrusion (ShAPE™), wurde für die Herstellung von Strangpressprofilen aus Rohlingen entwickelt, die durch Festphasenlegierung hergestellt wurden.
So funktioniert das ShAPE™-Verfahren
Das Verfahren nutzt eine schnell rotierende Matrize, die zerkleinerten Aluminiumschrott und die entsprechenden Mengen typischer Legierungselemente wie Silizium, Kupfer, Zink und Magnesium verteilt. Die dabei entstehende Wärme erweicht das Material und ermöglicht so dessen Extrusion zu Rohren, Stäben und Profilen.
Spiralnuten auf der Oberfläche der rotierenden Matrize transportieren das Material zur Extrusionsöffnung. Dadurch benötigen die gleichzeitig wirkenden linearen und rotatorischen Kräfte nur 10 % der Kraft, die üblicherweise zum Durchpressen des Materials durch die Matrize in herkömmlichen Extrusionsverfahren erforderlich ist.
Darüber hinaus ermöglicht das ShAPE™-Verfahren die Extrusion von Legierungen, die sich mit traditionellen Techniken nur schwer verarbeiten lassen. Das patentierte Verfahren bietet eine neue Möglichkeit, Aluminiumschrott in einem Bruchteil der Zeit, die für Schmelzen, Gießen und Extrudieren benötigt wird, in eine hochfeste Legierung umzuwandeln.
Auswirkungen auf Leichtmetalllegierungen in der Automobil- und Luftfahrtindustrie
Beide Innovationen stellen bedeutende Schritte zur Erweiterung der Anwendungsmöglichkeiten von Leichtmetalllegierungen in der Automobil- und Luftfahrtindustrie dar. Die MIT-Legierung mit ihrer hohen Temperaturbeständigkeit eröffnet neue Perspektiven für Hochleistungsmotoren und Strukturbauteile. Das ShAPE™-Verfahren wiederum bietet eine nachhaltige und kostengünstige Möglichkeit, hochfeste Legierungen direkt aus Schrott herzustellen und so die Kreislaufwirtschaft der Aluminiumlieferkette zu stärken.
Diese Forschung bestätigt, wie die Weiterentwicklung von Hochtemperatur-Aluminiumlegierungen und die Entwicklung innovativer Produktionsprozesse das Anwendungsspektrum dieses Leichtmetalls neu definieren und es als strategischen Werkstoff für die technologischen Herausforderungen der kommenden Jahrzehnte in der Automobil- und Luftfahrtindustrie positionieren.
Quelle: A&L Aluminium Alloys Pressure Diecasting Foundry Techniques