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Metall Wie winzige Atomschichten Verformung in Metallen bremsen

Von Uni Nürnberg 2 min Lesedauer

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Hitze und Dauerbelastung verkürzen die Lebensdauer eines Metallbauteils. Ein internationales Forschungsteam hat in einer Studie gezeigt, dass die Legierungen durch gezielt erzeugten und dünnen Atomschichten widerstandsfähiger werden.

Ein Teil der FAU-Autoren vom Paper „Engineering ordered two-dimensional defect phases to strengthen structural alloys“ (v.l.n.r.): Prof. Dr. Erdmann Spiecker, Nicolas Karpstein, Dr. Andreas Bezold, Jan Vollhüter, Dr. Steffen Neumeier, Prof. Dr. Mathias Göken.(Bild: Steffen Neumeier)
Ein Teil der FAU-Autoren vom Paper „Engineering ordered two-dimensional defect phases to strengthen structural alloys“ (v.l.n.r.): Prof. Dr. Erdmann Spiecker, Nicolas Karpstein, Dr. Andreas Bezold, Jan Vollhüter, Dr. Steffen Neumeier, Prof. Dr. Mathias Göken.
(Bild: Steffen Neumeier)

Feste Metalle können unter Hitze und anhaltender Last ihre Form verändern, beispielsweise bei Flugzeugturbinen, in Kraftwerken oder chemischen Anlagen. Dieser Vorgang heißt Kriechen und begrenzt die Lebensdauer eines Bauteils. Ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) und der Ohio State University aus den USA hat einen neuen Ansatz entwickelt, mit dem sich Werkstoffe auf atomarer Ebene so gestalten lassen, dass sie dieser Verformung länger standhalten.
An der FAU beteiligt sind Dr. Andreas Bezold, Manuel Köbrich, Jan Vollhüter, Lukas Amon, Prof. Dr. Mathias Göken und Dr. Steffen Neumeier vom Lehrstuhl für Allgemeine Werkstoffeigenschaften. Zusammen mit Nicolas Karpstein und Prof. Dr. Erdmann Spiecker vom Lehrstuhl für Mikro- und Nanostrukturforschung und dem Center for Nanoanalysis and Electron Microscopy untersuchten sie, wie sich widerstandsfähige Strukturen erzeugen lassen.

Winzige Strukturen bremsen Verformungen im Metall

Die Forschenden erzeugten dichte Netzwerke geordneter Schichten, die aus dünnen Atomlagen bestehen. Ähnliche Strukturen können entstehen, wenn sich eine Legierung während ihres Einsatzes verformt. Die Forschenden haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sich diese Verformungen bereits vorher herstellen lassen. Ihre festigkeitssteigernde Wirkung kann damit von Anfang an in die Werkstoffentwicklung einbezogen werden.
Anschließend werden die Metalllegierungen mit Wärme behandelt. Hier verteilen sich bereits vorhandene Legierungselemente neu und bilden geordnete Strukturen entlang der atomar dicken Defekte. Dies führt zu einer Änderung der inneren Struktur, die mit einer Steigerung der Festigkeit einhergeht, da die neuen Schichten als Barrieren wirken und damit weitere Verformungen erschweren.

Legierungen im Test: Was Atome über die Festigkeit verraten

Mithilfe von Elektronenmikroskopie und Simulationen konnte das Team zeigen, wie die Anordnung der Atome innerhalb der Schichten zu verbesserten Metall-Eigenschaften beiträgt. Messungen bestätigen diese Ergebnisse: Bei 750 Grad Celsius verformte sich die Superlegierung zudem weniger stark als die Referenzlegierung ohne diese Strukturen. Derartigen Temperaturen müssen die Legierungen zum Beispiel in der Raumfahrt, in Gaskraftwerken oder chemischen Anlagen Stand halten.
Mögliche Einsatzgebiete für die neuartigen Legierungen sind beispielsweise Turbinen. Langfristig wollen die Forschende untersuchen, ob einfachere Legierungszusammensetzungen vergleichbare mechanische Eigenschaften erreichen. Gelingt das, sind sie deutlich ressourcenschonender.

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