ORNL-Forscher, Team erhielt Auszeichnungen für Adv

DOE/Oak Ridge National Laboratory

Bild: Dean Pierce vom ORNL arbeitete mit Cummins zusammen, um Kolben aus 3Cr-XHTS-Stahl zu entwickeln und herzustellen, einer hochfesten Stahllegierung mit mittlerem Kohlenstoffgehalt.mehr sehen

Bildnachweis: ORNL, US-Energieministerium

Dekan Pierce vom Oak Ridge National Laboratory des Energieministeriums und ein Forschungsteam unter der Leitung von Alex Plotkowski vom ORNL wurden vom Vehicle Technologies Office des DOE für die Entwicklung neuartiger Hochleistungslegierungen geehrt, die extremen Umgebungen standhalten können.

Bei der diesjährigen jährlichen Verdienstüberprüfung von Vehicle Technologies, die virtuell am 12. Juni stattfand, würdigte die VTO Pierce, einen Forschungs- und Entwicklungswissenschaftler in der Direktion für Physikalische Wissenschaften, und das DuAlumin-3D-Forschungsteam unter Plotkowski.

VTO ​​ehrte Pierce, ein Mitglied der Alloy Behavior and Design-Gruppe des ORNL, mit einem Distinguished Achievement Award als Anerkennung für seine Führungsrolle bei der Entwicklung des neuen Three Chromium-eXtreme High-Temperature Strength (3Cr-XHTS)-Stahls. Die Stahllegierung besteht aus Chrom, das laut Name nominell 3 % der Materialmasse ausmacht, und anderen Legierungselementen.

Im Rahmen des VTO LightMAT-Programms arbeitete das ORNL-Team eng mit dem Kooperationspartner Cummins im Forschungs- und Entwicklungsabkommen zusammen, um die haltbarere Stahllegierung in weniger als vier Jahren zu entwickeln.

„Wir hatten eine großartige Zusammenarbeit mit Cummins und die Zusammenarbeit mit ihnen hat es uns ermöglicht, das einzigartige Fachwissen von ORNL und Cummins zu bündeln, um 3Cr-XHTS zu entwickeln“, sagte Pierce. „Ich habe mich für unser gesamtes Team gefreut, dass wir nach vier Jahren harter Arbeit und einigen aufregenden Ergebnissen ausgezeichnet wurden.“

3Cr-XHTS-Stahl wurde für den Einsatz in Kolben entwickelt, die hohen Temperaturen, hoher Belastung und langem Verschleiß für Hochleistungs-Verbrennungsmotoren der nächsten Generation mit höherem Wirkungsgrad standhalten. Die derzeit hochmoderne Stahllegierung für Hochleistungsmotorkolben, 4140-Stahl, ist auf Anwendungen beschränkt, bei denen die Spitzenmetalltemperaturen unter 500 °C liegen, sodass das Material für den Einsatz in zukünftigen Motoren mit höheren Temperaturen nicht mehr ausreicht.

„Für die Kolbenanwendung mussten wir einen Stahl entwickeln, der nicht nur bei hohen Temperaturen stabil und oxidationsbeständig ist, sondern auch die Wärme gut leiten muss. Einer der Zwecke der Wärmeleitung besteht darin, die Temperatur an der Verbrennungsoberfläche des Kolbens niedrig genug zu halten, damit das Material während des Betriebs nicht versagt“, sagte Pierce. „Diese Eigenschaften stehen oft im Widerspruch zueinander, was bedeutet, dass bei der Verbesserung einer Eigenschaft andere beeinträchtigt werden können, und unser Team musste diese metallurgische Designherausforderung meistern.“

Der neue hochfeste Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt ist für überlegene Ermüdungs- und Oxidationsbeständigkeit optimiert. Im Vergleich zu 4140 zeigte 3Cr-XHTS-Stahl eine Steigerung der Ermüdungsfestigkeit um 143 % und eine Steigerung der High-End-Betriebstemperatur um etwa 75 °C. Der Stahl zeigte außerdem eine um 46 % verbesserte Ermüdungsfestigkeit bei hohen Zyklen und hohen Temperaturen im Vergleich zu H11-Werkzeugstahl, einer anderen chromhaltigen Hochtemperaturlegierung.

Unter Verwendung von 3Cr-XHTS-Stahl stellten die Forscher Kolbenböden in Originalgröße her, Motorteile, die sich an der Oberseite der Kolben befinden und während der Verbrennung Gasen mit hoher Temperatur und hohem Druck ausgesetzt sind. Die neue Legierung hat den härtesten Motortest von Cummins, einen 500-Stunden-Test mit modifizierter Spitzenleistung, in einem 15-Liter-Sechszylinder-Hochleistungsmotor erfolgreich bestanden.

Zusätzlich zu den vorteilhaften Materialeigenschaften des Stahls ist 3Cr-XHTS-Stahl erschwinglich und kann möglicherweise ein Ersatz für teurere Werkzeugstähle sein. Die Legierung könnte bei verschiedenen Dekarbonisierungsbemühungen im Fahrzeugsektor Anwendung finden und ist mit kohlenstoffarmen Kraftstoffen kompatibel, die in Zukunft für schwere Nutzfahrzeuge eingesetzt werden könnten, wie etwa Erdgas, Wasserstoff, synthetischer Diesel, erneuerbarer Diesel und Biokraftstoff.

Bei der Annual Merit Review erhielt das DuAlumin-3D-Forschungsteam des ORNL einen Team Award für die Entwicklung von DuAlumin-3D, einer leichten Aluminiumlegierung, die im Rahmen des VTO Powertrain Materials Core Program in Zusammenarbeit mit dem DOE Advanced Materials and Manufacturing Office oder entwickelt wurde AMMTO. Die Arbeiten wurden teilweise in der Manufacturing Demonstration Facility am ORNL durchgeführt, der Heimat des MDF Consortium, einer landesweiten Gruppe von Mitarbeitern, die unter der Leitung von AMMTO mit dem Labor zusammenarbeitet, um den neuesten Stand der US-amerikanischen Fertigungstechnologie voranzutreiben.

Das Team begann mit der Entwicklung der Legierung als Reaktion auf den Bedarf an belastbaren, leichten Aluminiumlegierungen, die in der additiven Fertigung oder im 3D-Druck verwendet werden könnten.

„Aluminiumlegierungen waren für uns ein wirklich interessantes Problemfeld“, sagte Plotkowski, leitender F&E-Mitarbeiter und Hauptforscher des Projekts. „Die größte Herausforderung besteht darin, dass herkömmliche Aluminiumknetlegierungen, die wir weltweit am häufigsten verwenden und die attraktivsten Eigenschaften aufweisen, mit der additiven Fertigung nur schwer zu verarbeiten sind.“

DuAlumin-3D überwindet diese Hürde und andere Materialprobleme mit seiner außergewöhnlichen Ermüdungsfestigkeit und Kriechfestigkeit – tatsächlich der besten Kriechfestigkeit aller bekannten Aluminiumlegierungen bei 300 °C und mehr. Das druckbare Material wurde für den Einsatz in der additiven Laserpulverbettfertigung entwickelt und hält den extremen thermischen Bedingungen der additiven Fertigung stand. Die Legierung behält bei Temperaturen von 300 bis 315 °C mehr als die Hälfte ihrer Festigkeit, bei einer Gefügestabilität bis 400 °C.

DuAlumin-3D verdankt seinen Namen seinen doppelten Verstärkungsmechanismen, die durch die schnellen Erstarrungseigenschaften des 3D-Laserdrucks in Kombination mit einer kurzen Wärmebehandlung ermöglicht werden.

In weniger als drei Jahren entwickelte sich die Technologie von einem Konzept zu ihrem aktuellen Zustand als brauchbares Material für additiv gefertigte Prototypen und Produkte.

„Um dieses Projekt zu verwirklichen, war eine Zusammenarbeit erforderlich“, sagte Plotkowski. „Meiner Meinung nach ist dies ein Beispiel dafür, was das ORNL zu etwas Einzigartigem leisten kann, das nur wenige andere Organisationen auf der Welt leisten können, weil wir diese vielfältigen Fähigkeiten zusammenbringen. Wir sind in der Lage, Mitarbeiter aus dem gesamten Unternehmen leicht dazu zu bewegen, einen Beitrag zu leisten.“

Mit DuAlumin-3D haben Forscher bereits Kolben gedruckt, die im Januar eine anspruchsvolle Testdemonstration eines Vierzylindermotors am ORNL erfolgreich absolviert haben. Das Team arbeitet außerdem mit kommerziellen Partnern, darunter General Motors und Honda Performance Development, zusammen, um die Legierung für den Einsatz in bestimmten Fahrzeugkomponenten weiterzuentwickeln. GM wird voraussichtlich einen Satz aus der Legierung gedruckter Kolben in einem neuen leichten, hocheffizienten V8-Motor für mittelschwere Lkw testen.

DuAlumin-3D könnte auch im Luft- und Raumfahrtsektor anwendbar sein, sagte Plotkowski, wo ein leichtes Material wie die neue Legierung Titanteile ersetzen könnte, um das Gewicht eines Flugzeugs deutlich zu reduzieren und die Energieeffizienz zu verbessern.

Das ORNL-Team erhielt zusammen mit den Mitarbeitern General Motors und Beehive Industries außerdem einen 2022 R&D 100 Award für DuAlumin-3D.

Zu den weiteren geehrten Teammitgliedern zählen Amit Shyam, Ryan Dehoff, J. Allen Haynes, Larry F. Allard, Sumit Bahl, Ying Yang, Jon Poplawsky, Bill Peter, Derek Splitter und Jiheon Jun vom ORNL; Owens Cornings Richard Michi, zuvor ORNL; und Kevin Sisco von der University of Tennessee, Knoxville.

UT-Battelle verwaltet das Oak Ridge National Laboratory für das Office of Science des DOE, den größten Einzelförderer der Grundlagenforschung in den Naturwissenschaften in den Vereinigten Staaten. Das Office of Science des DOE arbeitet daran, einige der dringendsten Herausforderungen unserer Zeit anzugehen. Weitere Informationen finden Sie unter https://energy.gov/science. — Alexandra DeMarco

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