Kurzbeschreibung
Additive Fertigungstechnologien (Additive Manufacturing, AM) erhalten seit einigen Jahren erhöhte Aufmerksamkeit. Sie werden zunehmend in moderne Produktionsketten eingebunden. So zeigt die Roadmap des Bundesministeriums (2018) zum Thema Additive Manufacturing – Austria (AMA), dass prozess-spezifische Werkstoffe fehlen. AMA gibt in ihrer Roadmap die Empfehlung, den Fokus auf die Werkstoffentwicklung zu legen. Diese gilt im Besonderen für Titan-Werkstoffe für den Hochtemperatursektor. Dies ist notwendig, um diese innovative Werkstoffklasse für Anwendungen in energiewandelnden Systemen erschließen zu können. Das Projekt NovelTi zielt auf fundamentale Untersuchungen ab, um grundlegendes Verständnis für Hochtemperatur-Titan-Werkstoffe bereitzustellen.
Die Prozesstechnologien beim pulverbasierten AM haben bereits einen hohen Reifegrad erreicht; im Falle von Directed Energy Deposition (DED) mit Draht, wie etwa dem wire-based AM (WAM), jedoch nur zu einem geringeren Maße. Beim letztgenannten Verfahren werden derzeit Schweißzusätze verwendet, welche für Anwendungen im Verbindungsschweißen konzipiert wurden, jedoch nicht für WAM mit seinen veränderten Abkühl- und Erstarrungsvorgängen und der inhärenten, zyklischen Wiedererwärmungscharakteristik. Daraus resultieren ausgeprägte anisotrope Gefügestrukturen, die sich negativ auf die Materialhomogenität auswirken. Die geänderten Prozessbedingungen im Vergleich zu konventionellen Fertigungstechnologien erfordern einerseits eine Anpassung der Legierungssysteme, um das Werkstoffpotenzial besser ausschöpfen und die Verarbeitung im WAM ermöglichen zu können. Andererseits bieten die geänderten Prozessbedingungen aber auch die Möglichkeit, Legierungen neu zu designen, da typische Erstarrungsdefekte wie „ß-flecks“ in WAM verarbeitetem Material nicht oder zumindest nur in geringerem Ausmaß auftreten. Somit erschließt sich ein erweiterter Legierungsraum, der ausgenutzt werden kann, um verbesserte Hochtemperatureigenschaften bei Titan-Legierungen zu gewährleisten.
Ziel von NovelTi ist es, eine neuartige Titan-Legierung zu entwickeln, welche über optimierte Hochtemperatureigenschaften, optimierte einsatzrelevante Eigenschaften und optimierte verarbeitungsrelevante Eigenschaften verfügt. Für künftige Anwendungen stellt dies die Basis für den Ersatz konventionell gefertigter Hochtemperatur-Titan-Strukturen dar, wodurch energieeffizient und mit verringertem CO2 Footprint gefertigt werden kann.
Dieses Eigenschaftsportfolio umfasst: Dehngrenze = 940 MPa; Bruchfestigkeit = 1000 MPa; Bruchdehnung > 8%; sowie Kriechbeständigkeit und dynamische Festigkeit > jener der Referenzlegierung Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo. Weitere Betrachtungen umfassen die Gefügestabilität und Oxidationsbeständigkeit, jeweils im Vergleich zur Referenzlegierung. Da additiv verarbeitete Titan-Legierungen zur mechanischen Anisotropie neigen, wird die Isotropie im Legierungsdesign mitberücksichtigt (Anisotropieindex ˜ 1,0). Die Zielstellung wird nach dem State-of-the-art für WAM als ambitioniert, aber zugleich realistisch eingestuft.
Das Konsortium NovelTi ist zusammengesetzt aus den akademischen Partnern Montanuniversität Leoben und University of New South Wales. Beide verfügen im jeweiligen Fachgebiet über weltweite Bekanntheit. Ergänzt wird das Konsortium durch den Konsortialführer Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen mit langjähriger Expertise im Bereich der Legierungsentwicklung von neuartigen Leichtmetall-Legierungen. Die Partnerstruktur deckt alle wesentlichen Aspekte, die notwendig sind, um innovative Hochtemperatur-Titan-Legierungen zu erforschen, ab. Durch den fundamentalen Ansatz der Legierungsentwicklung kann eine breite Basis für künftige Entwicklungen in diesem Bereich geschaffen werden.
Das Forschungsvorhaben NovelTi trägt dazu bei, die Ziele der Roadmap AM-Austria in Form der Entwicklung spezifischer Zusatzwerkstoffe für AM in Österreich zu erfüllen und ermöglicht den Konsortialpartnern, ihre individuellen Expertisen zu erweitern, Forschungsarbeit auf höchstem Niveau zu leisten und damit weltweite Sichtbarkeit zu erlangen.