Der Empa-Forscher Christoph Kenel leistete Pionierarbeit auf dem Gebiet neuer Designer-Legierungen für die Luft- und Raumfahrt, welche künftig direkt im 3-D-Laser-Schmelzverfahren hergestellt werden können. EMPA vergibt dem Forscher, der der heute an der Northwestern University in Chicago arbeitet, den diesjährigen Forschungspreis.

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.