Radiofrequency plasma spheroidization of lightweight complex concentrated superalloy Al10Nb20Ta15Ti30V5Zr20

De wereld van de lucht- en ruimtevaarttechniek duwt voortdurend tegen een hard plafond: het smeltpunt van de materialen die worden gebruikt om straalmotoren en ruimtevaartuigen te bouwen. Decennialang heeft de sector vertrouwd op nikkelgebaseerde superlegeringen, die ongelooflijk sterk zijn maar hun structurele integriteit beginnen te verliezen wanneer de temperaturen de 1.200 graden Celsius naderen. Om hoger en sneller te kunnen vliegen, hebben ingenieurs materialen nodig die nog extremere hitte kunnen weerstaan. Dit heeft geleid tot de ontwikkeling van een nieuwe klasse metalen, genaamd refractaire complexe geconcentreerde legeringen. Dit zijn geen eenvoudige mengsels van twee of drie metalen, maar complexe blends van vijf of meer zware, hittebestendige elementen zoals tantaal, niobium en titanium. Het doel is om een materiaal te creëren dat niet alleen sterker is bij extreem hoge temperaturen, maar ook lichter dan de nikkellegeringen die het beoogt te vervangen, waardoor het totale gewicht van het vliegtuig wordt verminderd.

Het omzetten van deze complexe recepten in bruikbare onderdelen is echter een aanzienlijke hindernis. Om deze legeringen te vervaardigen met moderne 3D-printtechnieken, ook wel additive manufacturing genoemd, hebben ingenieurs het grondmateriaal nodig in de vorm van fijn, perfect rond poeder. Als de poederdeeltjes grillig of onregelmatig zijn, zullen ze niet soepel door de printmachine stromen, wat leidt tot zwakke plekken en defecten in het uiteindelijke object. Het maken van deze poeders is berucht moeilijk omdat de betrokken elementen zo reactief zijn en zulke hoge smeltpunten hebben dat traditionele methoden vaak falen in het produceren van een schoon, bolvormig product. Een team onderzoekers in Tsjechië heeft dit probleem onlangs aangepakt door twee verschillende processen te combineren: eerst het malen van de ruwe metaalelementen samen tot een ruw poeder, en vervolgens het gebruik van een oververhitte gasstraal om die deeltjes te smelten en om te vormen tot perfecte bollen.

De onderzoekers begonnen met een specifiek legeringsrecept dat aluminium, niobium, tantaal, titanium, vanadium en zirkonium bevat. Ze begonnen met het nemen van ruwe poeders van deze zes elementen en maalden deze 72 uur lang samen in een hoogenergetische molen. Dit proces, bekend als mechanische legering, dwong de verschillende metaaldeeltjes om zich op microscopisch niveau aan elkaar te binden en te mengen. Het resultaat was een poeder dat chemisch homogeen was, maar fysiek grillig en onregelmatig, vergelijkbaar met verbrijzeld grind. Hoewel dit mengsel de juiste ingrediënten bevatte, was het in zijn huidige staat onbruikbaar voor 3D-printen. Het team voerde dit ruwe poeder vervolgens in een gespecialiseerde machine die gebruikmaakt van radiofrequentieplasma, een stroom geïoniseerd gas die wordt verhit tot temperaturen rond de 10.000 graden Celsius. Terwijl de grillige deeltjes door deze intense hitte vlogen, smolten ze onmiddellijk. Eenmaal vloeibaar, trok de natuurlijke kracht van oppervlaktespanning de vloeibare metalen druppels in perfecte bollen, net zoals een waterdruppel een bal vormt in de ruimte. De deeltjes koelden vervolgens zo snel af dat ze in deze bolvormige vorm bevroren, klaar voor gebruik in additive manufacturing.

De transformatie was grotendeels succesvol. Het resulterende poeder bestond uit bijna perfecte bollen met een grootteverdeling die ideaal is voor het printen, waarbij de deeltjes die onderin de opvangkamer terechtkwamen gemiddeld ongeveer 39 micrometer groot waren. De onderzoekers ontdekten dat het proces goed genoeg werkte om zelfs de meest hardnekkige, hoogsmeltende elementen in de mix te smelten. De reis was echter niet zonder complicaties. Hoewel de vorm van het poeder verbeterd was, was de chemische zuiverheid niet perfect. De analyse toonde aan dat het poeder hogere concentraties zuurstof en stikstof bevatte dan de oorspronkelijke grondstoffen. Deze contaminatie is waarschijnlijk opgetreden omdat de minuscule deeltjes, terwijl ze door het plasma vlogen, fungeerden als sponsjes die gassen uit de omgeving absorbeerden. De aanwezigheid van deze extra elementen was significant; het maakte de uiteindelijke poederdeeltjes harder dan verwacht, een fenomeen dat de onderzoekers toeschreven aan het versterkende effect van deze gevangen gassen in plaats van aan de samenstelling van de legering alleen.

Binnen de nieuw gevormde bollen ontdekten de onderzoekers een complexe interne structuur. Sommige deeltjes waren uniform, terwijl andere een duidelijk patroon vertoonden van twee verschillende fasen, vergelijkbaar met de manier waarop ijskristallen zich vormen in een slushy-drankje. Eén fase was rijk aan aluminium en zirkonium, terwijl de andere werd gedomineerd door tantaal en niobium. Deze scheiding vond plaats omdat de deeltjes zo snel afkoelden dat de verschillende elementen niet volledig konden mengen voordat ze stolden. Het team vond ook minuscule, naaldvormige kristallen van een verbinding van zirkonium en koolstof ingebed in het metaal. Deze kristallen vormden zich omdat een kleine hoeveelheid ethanol, die eerder in het maalproces werd gebruikt om te voorkomen dat het poeder aan elkaar zou plakken, koolstof in het mengsel introduceerde. De koolstof bond zich vervolgens aan het zirkonium tijdens de intense verhitting door het plasma.

De studie concludeert dat deze methode van malen en vervolgens smelten een levensvatbare weg is naar het creëren van de hoogwaardige poeders die nodig zijn voor de volgende generatie lucht- en ruimtevaartmaterialen. Het proces slaagde erin om grillig, onregelmatig metaalstof om te vormen tot glad, bolvormig feedstock dat kan worden gebruikt in 3D-printers. Toch waarschuwen de onderzoekers dat de weg naar perfectie nog niet voltooid is. De aanwezigheid van ongewenste gassen en de vorming van onverwachte koolstofverbindingen suggereren dat het proces verdere verfijning nodig heeft om de chemische zuiverheid van het eindmateriaal te garanderen. Het team benadrukt dat voor deze geavanceerde legeringen het beheersen van de zuiverheid van de gasomgeving en de reinheid van de apparatuur even belangrijk is als het beheersen van de temperatuur. Door deze subtiele details te begrijpen, kunnen ingenieurs dichter bij het printen van vliegtuigonderdelen komen die lichter, sterker en in staat zijn om te opereren in omgevingen die voorheen onbereikbaar waren.