Fehler im Metall gelten normalerweise als Schwachstellen. Doch Forschende der Universität Erlangen-Nürnberg und der Ohio State University nutzen solche Defekte gezielt, um Superlegierungen widerstandsfähiger zu machen. Sie erzeugen winzige Störungen im Kristallgitter und wandeln diese durch Wärmebehandlung in verstärkende Strukturen um. Das Ergebnis: Bei 750 °C sank die minimale Kriechrate einer untersuchten Legierung um mehr als zwei Drittel. Wie das funktioniert, beschreibt das Forschungsteam in der Fachzeitschrift Science.
Atomare Barrieren gegen das Kriechen
Metalllegierungen können unter hohen Temperaturen und dauerhafter Belastung ihre Form verändern. Dieser als Kriechen bezeichnete Vorgang begrenzt die Lebensdauer entsprechender Bauteile. Die Forschenden untersuchten deshalb, wie sich die innere Struktur von Legierungen so verändern lässt, dass sie der fortschreitenden Verformung länger widerstehen.
Dabei machten sie sich einen Effekt zunutze, der auch während des Einsatzes metallischer Werkstoffe auftreten kann. Durch Verformungen können im Metall dünne atomare Strukturen entstehen. Dem Forschungsteam gelang es, solche Verformungen bereits vor dem späteren Einsatz gezielt zu erzeugen.
Auf diese Weise entstehen dichte Netzwerke aus atomar dünnen Defekten, deren festigkeitssteigernde Wirkung von Beginn an bei der Werkstoffentwicklung berücksichtigt werden kann.
Wärmebehandlung ordnet die Atome neu
Ein weiterer Schritt des Verfahrens ist die anschließende Wärmebehandlung der Legierungen. Dabei verteilen sich bereits vorhandene Legierungselemente innerhalb des Werkstoffs neu. Entlang der zuvor erzeugten atomar dünnen Defekte bilden sich geordnete Strukturen. Die innere Anordnung der Atome verändert sich dadurch gezielt.
Die neu entstandenen Schichten wirken als Barrieren gegen weitere Verformungen. Damit erhöht sich die Festigkeit des Werkstoffs. Der Ansatz unterscheidet sich insofern von einer rein nachträglichen Betrachtung solcher Strukturen: Die Forschenden erzeugen die Voraussetzungen für die festigkeitssteigernden Atomschichten bereits während der Werkstoffentwicklung.
Superlegierung hält 750 °C besser stand
Ob die gezielt erzeugten Strukturen tatsächlich die mechanischen Eigenschaften verbessern, untersuchte das Forschungsteam mithilfe von Elektronenmikroskopie, Simulationen und Messungen. Die mikroskopischen Untersuchungen und Simulationen zeigten, welchen Einfluss die Anordnung der Atome innerhalb der neu entstandenen Schichten auf die Werkstoffeigenschaften hat.
Die Messungen bestätigten die festigkeitssteigernde Wirkung. Bei einer Temperatur von 750 °C verformte sich die untersuchte Superlegierung weniger stark als eine Referenzlegierung, die nicht über die entsprechenden Strukturen verfügte. Damit konnte das Team zeigen, dass die gezielte Gestaltung atomarer Strukturen die Widerstandsfähigkeit metallischer Werkstoffe unter hohen Temperaturen verbessern kann.
Solche thermischen Belastungen treten beispielsweise in der Raumfahrt, in Gaskraftwerken und in chemischen Anlagen auf.
Forschung an der atomaren Struktur von Metallen
An den Untersuchungen waren mehrere Wissenschaftler der FAU beteiligt. Vom Lehrstuhl für Allgemeine Werkstoffeigenschaften wirkten Dr. Andreas Bezold, Manuel Köbrich, Jan Vollhüter, Lukas Amon, Prof. Dr. Mathias Göken und Dr. Steffen Neumeier mit. Weitere Beiträge leisteten Nicolas Karpstein und Prof. Dr. Erdmann Spiecker vom Lehrstuhl für Mikro- und Nanostrukturforschung sowie dem Center for Nanoanalysis and Electron Microscopy.
Gemeinsam mit den internationalen Forschungspartnern untersuchten sie, wie sich die widerstandsfähigen Strukturen erzeugen lassen und welche Veränderungen auf atomarer Ebene für die verbesserten Eigenschaften verantwortlich sind.
Weniger Legierungselemente als langfristiges Ziel
Neben der Verbesserung der mechanischen Eigenschaften verfolgen die Forschenden eine weitere Perspektive. Langfristig wollen sie untersuchen, ob sich mit einfacheren Legierungszusammensetzungen vergleichbare Eigenschaften erzielen lassen.
Sollte dies gelingen, könnten entsprechende Werkstoffe ressourcenschonender hergestellt werden. Als mögliche Einsatzgebiete nennen die Forschenden unter anderem Turbinen, deren Bauteile hohen Temperaturen und mechanischen Belastungen standhalten müssen.
Die veröffentlichte Untersuchung zeigt zunächst, dass sich die Kriechbeständigkeit einer Superlegierung durch gezielt erzeugte atomare Strukturen verbessern lässt. Ob sich der Ansatz künftig auch für einfachere Legierungszusammensetzungen nutzen lässt, bleibt Gegenstand weiterer Forschung.
