Australische Wissenschaftler entwickeln eine neue Klasse von Titanlegierungen

Eine aus Metallpulver 3D-gedruckte Legierung konkurriert hinsichtlich Festigkeit und Nachhaltigkeit mit dem herkömmlichen „magischen Metall“, das in der Luft- und Raumfahrt sowie der biomedizinischen Technik verwendet wird

Wissenschaftler haben mithilfe des Laser-3D-Drucks eine neue Klasse von Titanlegierungen geschaffen, die ihrer Meinung nach die Nachhaltigkeit der Titanindustrie verbessern und in der Luft- und Raumfahrt sowie in der biomedizinischen Technik eingesetzt werden könnten.

Titan ist in vielen Branchen ein Schlüsselmetall und wird für seine hohe Festigkeit, Leichtigkeit und Haltbarkeit geschätzt.

Prof. Ma Qian von der RMIT University in Melbourne, der die Entwicklung der neuen Legierung leitete, beschrieb Titan als „ein magisches Metall“.

„Es ist biokompatibel und jedes Jahr werden weltweit mehr als 1.000 Tonnen Titanmetall zu Knochenimplantaten verarbeitet“, sagte er. Es ist im Meerwasser korrosionsbeständiger als Edelstahl und wird auch häufig in U-Booten und Entsalzungsanlagen eingesetzt.

Melden Sie sich für den kostenlosen Vormittag und Nachmittag von Guardian Australia anE-Mail-Newsletter für Ihre tägliche Nachrichtenzusammenfassung

„Ohne Titanlegierungen wären wir nicht in der Lage zu fliegen, wie wir es heute können“, sagte Qian und fügte hinzu, dass Titan etwa 20 % des Gewichts eines typischen Flugzeugs ausmacht.

Der Hauptbestandteil der Titanindustrie ist eine Legierung namens Ti-6Al-4V, die 6 % Aluminium und 4 % Vanadium enthält. Diese 1954 erfundene einzelne Legierung mache mehr als 50 % des gesamten Titanmarktes aus, sagte Qian.

Die neue Legierung, die aus Metallpulver im 3D-Druckverfahren hergestellt wird, macht Aluminium und Vanadium überflüssig und verwendet stattdessen die häufig vorkommenden Elemente Sauerstoff und Eisen, die zudem kostengünstiger zu beschaffen sind.

Legierungen mit einem hohen Sauerstoff- und Eisengehalt gelten traditionell als Titanschrott. Die Anwesenheit von Sauerstoff kann das Metall spröde machen – oft als „Kryptonit von Titan“ bezeichnet –, während Eisen dazu neigt, sich in Defektflecken aufzuspalten.

Mithilfe des 3D-Drucks konnten die Wissenschaftler jedoch nanoskalige Titankristalle innerhalb der Legierung herstellen und die Verteilung von Sauerstoff- und Eisenatomen sorgfältig steuern. Dadurch sind einige Teile der Legierung fester und andere duktiler (können zu Draht gezogen werden) – und das Material wird unter Spannung nicht spröde.

Das neue Material konkurriert hinsichtlich der Festigkeit mit herkömmlichen Titanlegierungen, sagte der leitende Forscher Prof. Simon Ringer, der auch Pro-Vizekanzler an der Universität Sydney ist.

Ein Vorteil der 3D-gedruckten Legierung sei die Möglichkeit, Parameter während der Produktion anzupassen, um dem Material „Gradienteneigenschaften“ zu verleihen, sagte Ringer. „Man kann ein Ding bauen, das in einem Teil bestimmte Eigenschaften und in einem anderen Teil andere Eigenschaften hat.“

Melden Sie sich für das Nachmittags-Update von Guardian Australia an

In unserer australischen Nachmittags-Update-E-Mail werden die wichtigsten nationalen und internationalen Geschichten des Tages erläutert und erklärt, warum sie wichtig sind

nach Newsletter-Werbung

Ein weiterer Vorteil sei die Nachhaltigkeit, sagen die Forscher, denn Titan mit hohem Eisen- und Sauerstoffgehalt könne in die neue Legierung recycelt werden.

Nach dem Proof of Concept sind die Forscher noch weit von industriellen Anwendungen entfernt, beispielsweise bei biomedizinischen Implantaten sowie in der Raum- und Raumfahrtindustrie.

Fortschrittliche Fertigungs- und Materialtechnologie ist einer von sieben Bereichen, die die Bundesregierung kürzlich in ihre Liste der kritischen Technologien aufgenommen hat.

„Australien ist weltweit die Nummer 1 in Bezug auf die Menge an Titanmineralien“, sagte Ringer. „Viele von uns Ingenieuren in Australien sind wirklich begeistert von der Chance, die die fortschrittliche Fertigung für die Verlagerung der Produktion bietet.“

Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.