Titan-Aluminium-Legierungen vereinen mehrere im Leichtbau für Luft und Raumfahrt begehrte Eigenschaften: Sie sind leicht, sehr fest und zugleich oxidationsresistent, auch bei hohen Temperaturen. Ziel der nun preisgekrönten Dissertationsarbeit von Christoph Kenel war es, diese Legierungen mit Nanopartikeln aus Mineraloxiden zu versehen, die gleichmässig im Metall verteilt sind. So lassen sich die mechanischen Eigenschaften und die Oxidationsbeständigkeit der Legierungen im Hochtemperaturbereich deutlich verbessern. Der Empa-Forscher benutzte dazu eine 3-D-Laser-Schmelz-Anlage, die mit Hilfe eines Laserstrahls aus Metallpulver komplexe Bauteile formt. Betreut wurde die Forschungsarbeit von Christian Leinenbach aus der Empa-Abteilung Advanced Materials Processing.

Im klassischen Gussverfahren nicht herstellbar

Die Aufgabe ist anspruchsvoll, denn Titan-Aluminium-Legierungen sind bei Raumtemperatur spröde. Die rasche Abkühlung der Mischung im Laser-Schmelz-Prozess kann unerwünschte Phasentransformationen im Metall auslösen und zu Rissen im Material führen. Im klassischen Gussverfahren sind die nun untersuchten oxidverstärkten Legierungen bisher nicht herzustellen: Sobald die Mischung schmilzt, klumpen die Oxidpartikel in der Legierung zusammen oder sie schwimmen als Schlacke auf der Oberfläche.

Das von Christoph Kenel erforschte Laser-Schmelz-Verfahren bietet hier eine Alternative. Mit dem Laser wird die Pulvermischung nur kurz erhitzt, so dass die Oxidpartikel während des Schmelzens und Erstarrens zwischen den Metallanteilen der Legierung gewissermassen stecken bleiben und ihre Position nicht mehr verändern. Eine homogene, oxidverstärkte Legierung entsteht.

In der nun mit dem Forschungspreis ausgezeichneten Dissertationsarbeit «Development of Oxide Dispersion Strengthened Titanium Aluminides for Additive Manufacturing» nutzte Christoph Kenel diverse computerbasierte Methoden (Thermodynamische Simulationen, Finite-Elemente-Berechnung), mit denen sich die Eigenschaften der erzeugten Legierungen aus Titan, Aluminium, Niob und Yttriumoxid voraussagen lassen. In ergänzenden Experimenten gelang es Kenel mit neuen, von ihm entwickelten Analysemethoden die Bildung der Legierungen während des Laserprozesses mit hoher zeitlicher Auflösung zu studieren. Die im Anschluss daran optimierten und im 3D-Verfahren hergestellten oxidverstärkten Legierungen zeichnen sich durch eine höhere Festigkeit bei Temperaturen bis 800°C sowie eine deutlich verbesserte Oxidationsbeständigkeit im Vergleich mit den kommerziellen Titanaluminid-Legierungen aus.

Die Forschungskommission der Empa verlieh dieser Dissertation daher einstimmig die Note «preiswür dig, sehr gut». Der Forschungspreis 2017 wurde am 13. November anlässlich des «PhD-Day» an der Empa verliehen. Christoph Kenel reiste dafür von der Northwestern University in Chicago aus an, wo er seit Anfang des Jahres forscht.

Legierungen aus dem Laserdrucker