Die Stabilität komplexer Legierungen schneller bestimmen

Materialwissenschaft

Bild: RUB, Marquard

Ob ein neuer Werkstoff unter Temperaturbelastungen stabil bleibt, können Materialwissenschaftler der Ruhr-Universität Bochum innerhalb weniger Tage ermitteln. Sie entwickelten ein neues Verfahren, mit dem sich komplexe Legierungen, die aus vielen verschiedenen Elementen bestehen, zum Beispiel auf Temperatur- und Oxidationsbeständigkeit untersuchen lassen. Solche Analysen haben zuvor Monate in Anspruch genommen. Das Team um Prof. Dr. Alfred Ludwig und Dr. Yujiao Li vom Bochumer Institut für Werkstoffe und vom Zentrum für Grenzflächendominierte Höchstleistungswerkstoffe beschreibt das Verfahren in der Zeitschrift „Materials Horizons“.
Die Methode eignet sich insbesondere für sogenannte Hochentropie-Legierungen, die seit einiger Zeit intensiv erforscht werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Legierungen bestehen diese nicht aus einem Hauptelement und wenigen weiteren Elementen in geringer Konzentration, sondern aus einer gleichwertigen Mischung mehrerer Elemente.
„Diese Legierungen stellen einen neuen Suchraum für Werkstoffe dar. Es gibt fast unendlich viele mögliche Materialkombinationen und daher gute Chancen, Werkstoffe zu entdecken, die bisherige Materialien in bestimmten Eigenschaften übertreffen könnten“, sagt Ludwig. Entscheidend sei jedoch, dass die Legierungen auch bei thermischen oder chemischen Belastungen, wie sie in Anwendungen auftreten, zusammenhalten und nicht unerwünscht in ihre verschiedenen Bestandteile zerfallen. „Daher ist die Methode so wichtig“, ergänzt Ludwig. „Mit ihr können Legierungskandidaten schnell getestet werden, und zwar auf atomarer Skala.“
Bevor ein neu konzipierter Werkstoff in die Anwendung kommen kann, muss er auf viele verschiedene Parameter getestet werden, etwa ob er hohen Temperaturen standhält oder wie oxidationsanfällig er ist. Um diese Tests möglichst schnell durchführen zu können, kombinierten die Bochumer Gruppen mehrere Verfahren.
Sie trugen die komplexe Legierung als wenige Nanometer dünne Schicht auf 36 mikroskopisch kleine Spitzen auf. Dazu nutzten sie ein Sputterverfahren, mit dem sie fünf Metalle gleichzeitig in einem speziellen Mischungsverhältnis auf den Spitzen abschieden. In den so aufgetragenen Schichten können Reaktionen zwischen den Metallen sehr schnell ablaufen. Die Autoren bezeichnen das System als kombinatorische Prozessierungsplattform.
Die einzelnen Spitzen unterzogen die Forscher nacheinander unterschiedlichen Belastungen und charakterisierten nach jeder Belastung mit der Atomsondentomografie die Zusammensetzung der Schicht. Die Technik erlaubt, viele Millionen Atome und deren dreidimensionale Anordnung sichtbar zu machen und zwischen verschiedenen Elementen zu unterscheiden.Die Analyse mit der Atomsonde zerstört die Probe an der untersuchten Stelle; mit jeder Messung verbraucht sich also mindestens eine beschichtete Spitze auf der Platte. Da aber insgesamt 36 identische Spitzen zur Verfügung standen, konnten die Wissenschaftler viele Tests hintereinander absolvieren.
So erhitzten sie die Probe zum Beispiel im ersten Schritt auf eine bestimmte Temperatur, testeten dann mit der Atomsonde die dadurch ausgelösten Effekte in der Legierung, erhitzten anschließend auf eine höhere Temperatur, testeten wieder die Legierung und so weiter. „Auf diese Weise können wir zum Beispiel sehr schnell sagen, dass die untersuchte Legierung ab 300 Grad Celsius in mehrere unterschiedliche Phasen zerfällt“, sagt Ludwig. „Wir könnten so aber auch die Oxidationsanfälligkeit oder die Reaktion in verschiedenen Umgebungsmedien überprüfen.“ Aus den umfangreichen Messdaten und neuen Visualisierungsansätzen für diese Daten lässt sich schneller ein besseres Verständnis der Phasenevolution in komplexen Legierungen gewinnen.

Bauphysik: Bau & Energie

Nachhaltiges Bauen setzt einen integralen Planungsprozess voraus, gilt es doch Energieeffizienz, Raumklima (Temperatur, Luftqualität, Licht und...

Weiterlesen

Brandabschottung im Systembodenbereich

Mit Systembodenlösungen können technische Installationen schnell eingebracht sowie während der Lebensdauer des Gebäudes nachgerüstet werden. In Bezug...

Weiterlesen

Brandschutztaugliche Holzbaukonstruktionen finden

Das Brandschutz-Tool des WDVS-Anbieters Inthermo macht es leichter, die richtigen WDVS-Komponenten für brandschutztaugliche Holzbaukonstruktionen zu...

Weiterlesen

PU-Effizienzdach + verbesserter Brandschutz

Mit dem PU-Effizienzdach hat der Hersteller Puren schlanke holzsparende Dachkonstruktionen im Programm, die durch Kombinationen von Zwischen- und...

Weiterlesen

Europas modernster Fassadenprüfstand eingeweiht

Flammen züngeln entlang der Fassade, die entstehende Hitze ist deutlich zu spüren. Doch bevor sich das Feuer ausgebreitet hat, wird es schnell...

Weiterlesen

Klimadecke inklusive Brand- und Schallschutz

Trockenbaudecken erfüllen heute vielfältige Aufgaben: heizen, kühlen, Feuchtigkeit puffern, die Raumakustik verbessern und Brände eindämmen. Bisher...

Weiterlesen

Vom Sockel bis zum Dach brandsicher gedämmt

Wenn es um Brandschutz geht, sind vollmineralische Wärmedämmverbundsysteme auf Basis von Mineralwolle erste Wahl. Im Perimeterbereich ist allerdings...

Weiterlesen

Sprachalarmierung: Klare Worte retten Leben

Ein Brand ist nicht nur wegen giftiger Rauchgase und Flammen gefährlich, sondern auch wegen des Chaos, das er stiftet: Betroffene Menschen verhalten...

Weiterlesen

Ein Schulgebäude ganz aus Holz

Das neue Schulgebäude der Gemeinde Contern in Luxemburg bietet Vorschülern seit Oktober 2016 ein angenehmes Lernumfeld. Das zweistöckige massive...

Weiterlesen