Nieuw soort sterk RVS ontwikkeld voor toepassing in luchtvaartindustrie’
‘Niemand ter wereld heeft computermodellen ontwikkeld zoals wij, waarmee we metalen kunnen bedenken met optimale eigenschappen. We hebben inmiddels een nieuw soort RVS ontwikkeld, voor het toepassen in de luchtvaartindustrie. Deze kan goed concurreren met titaan en koolstofcomposieten.’
Jelle Vaartjes
Dat zegt Sybrand van der Zwaag, hoogleraar materiaalkunde binnen de faculteit Luchtvaart-en Ruimtevaarttechnologie aan de TU Delft. De groep van Van der Zwaag houdt zich bezig met het ontwikkelen van nieuwe materialen voor vliegtuigen en satellieten, waaronder RVS. ‘Roestvast staal is één van de drie belangrijke materialen voor het landingsgestel van vliegtuigen’, aldus Van der Zwaag. Daar is onderzoek naar gedaan. ‘Er is een hevige concurrentie tussen de meest geschikte materialen. Het gaat enerzijds tussen titaan en anderzijds roestvast staal, of anders een nieuwe koolstofcomposiet. Traditioneel had staal een sterke positie, maar de andere materialen komen steeds meer op. Dus wilde destijds British Steel Aerospace een nieuw soort roestvaststaal met hogere sterkte dan de bestaande staalsoorten. Dit instituut heeft ons gevraagd dat te ontwikkelen. We zijn daar vijf jaar geleden mee begonnen.’
Nieuwe route
Het verzoek aan de TU Delft was ook een heel nieuwe onderzoeksroute te bedenken. Van der Zwaag: ‘Wat we gedaan hebben is niet de gebruikelijke empirische route volgen waarbij je kijkt welke stalen het al goed doen en dan nog een beetje legeringselementen erbij voegen en dan maar kijken of het goed gaat. Wat we wel hebben gedaan is op basis van computermodellen uitrekenen welke geheel nieuwe systemen betere eigenschappen zouden kunnen geven. Daarbij hebben we bedacht, en dat kun je wiskundig bewijzen, dat martensitische staalsoorten de meeste kans op succes geven. Deze soorten geven we na afschrikken een warmtebehandeling om precipitaten (nanometer grote uitscheidingen die de hardheid bepalen) te maken. Deze staalsoorten zijn de meest geschikte soorten voor deze markt.’
Tijdens de berekeningen worden acht legeringselementen bekeken. ‘Voor elk legeringelement kijken we naar 32 verschillende gehaltes. Er is vervolgens binnen een computer een gigantisch grote zoekruimte. We gebruiken vervolgens kunstmatige intelligentietechnieken om de optima in een eindige tijd te vinden. Binnen ongeveer drie dagen worden goede oplossingen gevonden, welke samenstelling het beste is en welke warmtebehandelingen erbij horen. Dat is helemaal nieuw, dat heeft tot nu toe nog niemand gedaan. En dat kunnen wij nu wel. Dan krijg je een voorspelling van wat een goede staalsoort is.’
Ondersteuning vanuit China
Die staalsoorten zijn voor de TU Delft in China gemaakt bij het Institute for Metals Research in Shenyang. Van der Zwaag: ‘Het is het beste Chinese onderzoekscentrum op metalengebied. Het is een laboratorium met ongeveer 1.500 onderzoekers die allemaal verschillende stukken van metaaltechnologie onderzoeken. Die hebben voor ons de materialen gemaakt en we hebben samen met hen de eigenschappen onderzocht en gevonden dat onze eigenschappen beter zijn dan de RVS- soorten die nu op de markt zijn.’
Het is nog min of meer geheim welke nieuwe RVS-soorten ontdekt zijn. ‘Het is een nieuw type dat nog niet op de markt bestaat en de samenstelling is nog vertrouwelijk’, zegt Van der Zwaag. ‘Met de industriële partners wordt nu gekeken of zij die het op de markt willen brengen.’ Die industrieën zijn Tata Steel, of het afgesplitste deel dat nu in Engeland voor de engineerings staalproductie zorgt.’ Van der Zwaag schat de kans groot dat het een succes wordt. ‘Ik denk dat er een reële kans is. Als je een percentage wilt noemen, dan denk ik in de orde van grootte van 30 tot 40 procent.’
Wat zijn de grote voordelen van dit nieuwe RVS? ‘De grote voordelen zijn een hogere sterkte en een hogere taaiheid met behoud van redelijk standaard processing condities’, zegt Van der Zwaag. ‘Dus je hoeft niet veel andere dingen te doen. De verhittingstemperaturen zijn zoals de industriële ovens dat aankunnen. Een bottleneck is nog om te zorgen dat het gietproces helemaal goed loopt, maar de technologen voorspellen dat dat wel helemaal goed komt.’ Wat is het probleem precies daarbij? ‘Zoals altijd bij RVS, is een probleem de segregatie tijdens het stollen. Segregatie is dat een homogene vloeistof bij het stollen zich verdeelt in twee gebieden met verschillende samenstellingen en dat wil je niet. En de legering die we nu bedacht hebben, moet daar geen al te sterke neiging toe hebben.’
Hoge temperaturen
Vanuit dit onderzoek, een toepassing voor staal op het gebied kamertemperatuur, is de TU Delft nu bezig om te kijken of de onderzoekers hetzelfde concept kunnen toepassen op RVS-soorten voor hoge temperatuurtoepassingen. Ditmaal voor 400 tot 600 graden Celsius. Van der Zwaag: ‘Dan gebruiken we hetzelfde principe voor het ontwikkelen van RVS voor het landingsgestel, maar dan rekenen we ook uit welke nieuwe staalsoorten hun eigenschappen lange tijd, honderdduizend uur, zouden kunnen behouden. Uitdaging is om bij hoge temperaturen staalsoorten typen te bedenken waarbij de precipitaten (de deeltjes die de sterkte geven) mooi klein blijven. Bij gewone staalsoorten worden die sterkte gevende deeltjes in de loop van de tijd steeds groter, waardoor de soorten sterkte verliezen. Dat is een natuurlijk proces en daar kun je niet zoveel aan doen. Maar wat wij nu bedacht hebben is: welke samenstelling kun je aanbrengen zodat de groei van die deeltjes veel langzamer gaat. Waar we nu druk mee bezig en bijna klaar zijn, is een nieuwe generatie RVS voor hoge temperatuurtoepassingen.’
Hoe lang gaat dat nog duren? ‘Ik denk dat wij over een half jaar meer kunnen zeggen. Dan hebben we de juiste samenstelling en de optimale procesberekeningen doorgerekend. Dan worden de proeflegeringen weer in China gemaakt, tenzij iemand anders het voor ons wil maken, en dan duurt het nog, zeg maar, een jaar voor alle eigenschappen gemeten zijn. En dan kunnen we zeggen: dit staal ziet er heel goed uit en het wordt tijd dit eens op industriële schaal verder te onderzoeken.
Van der Zwaag komt tot de conclusie dat Nederland inmiddels wel een heel goede reputatie begint te krijgen voor het ontwikkelen van computermodellen, waarmee je de eigenschappen van nieuwe, nog niet eerder gemaakte metaallegeringen met gewenste topeigenschappen kunt voorspellen.
‘Er is niemand in de wereld die zover is als wij. Voor Nederland is dat natuurlijk altijd leuk.’
