Wenn ein Hersteller an das perfekte Material denkt, sind stark, leicht und flexibel die drei wichtigsten Adjektive, die einem in den Sinn kommen können. Das liegt daran, dass diese Eigenschaften es dem Material ermöglichen, in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt zu werden und gleichzeitig enormen Belastungen standzuhalten. Neue Forschungsergebnisse haben nun zur Entwicklung einer neuen Titanlegierung geführt, die als die stärkste aller derzeit auf dem Markt befindlichen Titanlegierungen bezeichnet wird. Diese neue Legierung könnte tiefgreifende Auswirkungen auf die Automobil-, Luft- und Raumfahrtindustrie und andere Bereiche haben.
Kohlenstofffasern gelten weithin als die jüngste und bedeutendste Materialrevolution, aber diese neue Titanlegierung könnte den Vogel abschießen. Die Legierung mit dem Namen Ti185 wurde erstmals vor etwa 50 Jahren hergestellt. Das grobe Herstellungsverfahren führte jedoch zu einer uneinheitlichen Metallmischung, die an manchen Stellen stark, an anderen aber spröde war. Metallurgen versuchten damals, Rohtitan mit Eisen, Vanadium und Aluminium zu mischen, um Ti185 herzustellen. Das Problem war, dass die Mischung mit dem Eisen verklumpte, was zu Mängeln im Endprodukt führte. Metallurgen waren nicht in der Lage, die Legierung für kommerzielle Zwecke zu produzieren, bis jetzt.
Reines Titan ist nicht sehr stark, daher muss eine Legierung geschaffen werden, um ihm die Eigenschaften zu verleihen, die die Hersteller suchen. Um die Festigkeit gängiger Titanlegierungen, die heute in der Luft- und Raumfahrt und im Flugzeugbau verwendet werden, zu erhöhen, haben Forscher des Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) des US-Energieministeriums eine Möglichkeit entwickelt, Ti185 kostengünstig herzustellen. Sie erreichten dies, indem sie die Atome in einem bestimmten Muster anordneten, um eine spezielle Nanostruktur zu bilden.
Es war das erste Mal, dass Forscher in der Lage waren, diese atomare Anordnung aus der Nähe zu sehen, und dann gingen diese Wissenschaftler noch einen Schritt weiter. Die Forscher des PNNL manipulierten dann die Nanostruktur, um die stärkste jemals entwickelte Titanlegierung zu schaffen. Ein weiterer Vorteil dieses neuen Verfahrens ist, dass es im Vergleich zur Herstellung herkömmlicher Titanlegierungen kostengünstiger ist.
„Wir haben herausgefunden, dass man eine Titanlegierung herstellen kann, die 10 bis 15 Prozent stärker ist als jede kommerzielle Titanlegierung, die derzeit auf dem Markt ist, und dass sie ungefähr die doppelte Festigkeit von Stahl hat, wenn man sie zuerst bei einer höheren Temperatur und dann bei einer niedrigeren Temperatur wärmebehandelt“, sagte Arun Devaraj, ein Materialwissenschaftler am PNNL. bit.ly/2blCAPu
Die Forscher testeten die Festigkeit der Legierung, indem sie so lange an ihr zogen, bis das Titan versagte. Es wurde festgestellt, dass Ti185 10-15 % stärker ist als herkömmliche Titanlegierungen, was eine monumentale Leistung darstellt, die in Verbindung mit den niedrigen Produktionskosten nur noch beeindruckender ist. Ti185 ist etwa doppelt so stark wie Automobilstahl, der im Automobilbau verwendet wird, und wiegt nur halb so viel.
Die Ergebnisse desPNNL gehen weit über die Arbeit mit Titan hinaus. Sie könnten sogar in der Lage sein, ihr Verfahren zu nutzen, um noch mehr Legierungen zu verbessern.
„Dies verschiebt die Grenze dessen, was wir mit Titanlegierungen tun können, – Jetzt, da wir verstehen, was passiert und warum diese Legierung eine so hohe Festigkeit hat, glauben die Forscher, dass sie in der Lage sein könnten, andere Legierungen zu modifizieren, indem sie absichtlich Mikrostrukturen erzeugen, die wie die in Ti185 aussehen.“ erklärt Devaraj.
Diese Forschung könnte zu noch mehr bahnbrechenden metallurgischen Entdeckungen führen, die die Welt vorantreiben könnten. Neue Flugzeuge, Luft- und Raumfahrttechnologien und Automobile könnten sich schon bald auf diese fortschrittlichen Legierungen stützen, und das könnte erst der Anfang sein. Die Fähigkeit, außergewöhnlich hochfeste Werkstoffe herzustellen und gleichzeitig die Kosten niedrig zu halten, ist der Traum eines jeden Herstellers.