Hoch machen

Oct 25, 2023

Idaho National Labs, Idaho Falls, ID

Viele der heutigen Hochleistungstechnologien – Kernreaktoren, Raumfahrzeuge, konzentrierte Solaranlagen und Wasserstoffzellen – erfordern fortschrittliche Materialien. Fortschrittlich bedeutet, dass sie aus Metallen und Keramik bestehen, die extremen Bedingungen standhalten oder anspruchsvolle Spezifikationen erfüllen.

In der Vergangenheit wurden diese fortschrittlichen Materialien typischerweise aus Pulver hergestellt, das in eine Form gegossen, einem hohen Druck ausgesetzt und in einem Prozess namens Heißpressen langsam erhitzt wurde. Allerdings entsteht beim Heißpressen Abwärme, was zu hohen Kosten führt. Diese Kosten haben den weit verbreiteten Einsatz fortschrittlicher Materialien in Branchen eingeschränkt, die Alltagsgegenstände wie Autos herstellen.

In jüngerer Zeit haben Ingenieure ein kostensparendes Verfahren namens Spark-Plasma-Sintern (SPS) entwickelt. Anstelle von Wärme sendet SPS Strom durch die Matrize und manchmal auch durch das Material selbst, um die Moleküle von pulverförmigen Metallen, Keramik oder einer Mischung aus beiden zu verschmelzen.

Jetzt hat das Idaho National Laboratory erstklassige Fähigkeiten entwickelt, um die Industrie bei der Entwicklung effizienter SPS-Herstellungsprozesse zu unterstützen. Die neueste Erweiterung des Labors, eine der größten Maschinen ihrer Art weltweit, ermöglicht die Herstellung neuer Materialien in industriell relevanten Maßstäben.

„Der SPS-Prozess ist viel schneller, viel energieeffizienter und besser in der Lage, die ursprünglichen, überlegenen Pulvereigenschaften im vollständig gesinterten Teil beizubehalten“, sagte Troy Holland, leitender SPS-Materialwissenschaftler/-ingenieur am INL.

Aufgrund der oft strengen Leistungsanforderungen dieser Teile ist es wichtig, die Eigenschaften des ursprünglichen Pulvermaterials beizubehalten. „Wenn man sie über einen längeren Zeitraum erhitzt, verliert man oft die Vorteile des Originalpulvers“, sagte Holland.

INL hat vier kundenspezifische SPS-Maschinen entworfen und gebaut, die von der Unterstützung kleiner Experimente im Labormaßstab bis hin zu großformatigen Systemen mit hohem Durchsatz im industriellen Maßstab reichen.

Wie der Name schon sagt, handelt es sich bei der Nano-SPS um eine kleine Maschine, die Metall- oder Keramikpulver zusammenschmelzen kann, um Teile im Nano- bis Mikrometerbereich herzustellen. Das Nano-SPS ist nicht per se für den Bau kommerzieller Teile gedacht, sondern ist eine experimentelle Maschine, die Forschern dabei helfen kann, die Nanostruktur und Mikrostruktur einer Komponente vorherzusagen und zu kontrollieren, indem sie beobachtet, wie Pulvermaterialien mit einer Auflösung im Nanometerbereich fließen und interagieren.

Röntgen- und Neutronenbeugungsexperimente mit dem Nano-SPS-Aufbau liefern Echtzeitdaten über die chemische und mikrostrukturelle Entwicklung während des SPS-Prozesses.

Es ist wichtig zu verstehen, wie die Pulvermoleküle während der SPS interagieren, von Atombindungen über lokale Nanostrukturen bis hin zu Mikrostrukturen, da Variationen auf diesen Skalen einen großen Unterschied in der Leistung bewirken können.

„Unser Ziel ist es, den Prozess gut genug zu verstehen und zu steuern, um lokale Mikrostrukturen von Teilen kontrollieren zu können“, sagte Holland. „Dadurch können wir Variationen minimieren oder lokale absichtliche Variationen innerhalb des Teils so wiederholbar wie möglich nutzen.“ zur Herstellung vorqualifizierter Teile.“

Die nächste Maschine, die Micro-SPS, kann Teile im Mikrometer- bis Zentimeterbereich herstellen und ist auch für das Verständnis der mikrostrukturellen Entwicklung hilfreich. Mit dem Micro-SPS werden Daten zur Sinterkinetik von Schüttgütern ermittelt. Dies geschieht durch die Bereitstellung von Fenstern in die Werkzeuge, um Echtzeit-Röntgen- und Neutronenradiographie der Massen-SPS-Verarbeitung zu unterstützen.

SPS ist auch eine aufstrebende Technologie für die Herstellung fortschrittlicher Kernbrennstoffe. Das Radiological Spark Plasma Sintering System (RSPS) im Materials and Fuels Complex des INL ist ein speziell entwickeltes System, das in eine Glovebox für radiologische Arbeiten integriert ist.

Die DCS-800 ist eine größere SPS-Maschine, die Teile mit einer Größe von bis zu etwa einem Quadratmeter herstellen kann. Das DCS-800 befindet sich im Energy Systems Laboratory des INL und arbeitet mit hoher Leistung, hohen Temperaturen und hohem Druck. Es ermöglicht die Demonstration von Materialien, die im Labormaßstab entdeckt wurden, in industriell relevanten Maßstäben.

Schließlich wird das Roller SPS es INL-Experten ermöglichen, kontinuierliche Materialschichten aus Pulvern durch Funkenplasma zu sintern. Das bedeutet, dass sie Teile in unbegrenzter Größe herstellen können und gleichzeitig den Energieverbrauch und die Herstellungszeit weiter verkürzen.

Dieser Artikel wurde von Cory Hatch für INL Communications & Outreach geschrieben. Für weitere Informationen wenden Sie sich an Ryan Bills unter Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt. Sie müssen JavaScript aktivieren, damit Sie es sehen können.; 208-526-1896.

Dieser Artikel erschien erstmals in der Juni-Ausgabe 2023 des Tech Briefs Magazine.

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