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Eine Legierung, die bei hohen Temperaturen ihr Gedächtnis behält

Auch beim hundertsten Mal findet das Material beim Erhitzen in seine ursprüngliche Form zurück

03.12.2019

© RUB, Marquard

Alexander Paulsen (rechts) und Alberto Ferrari haben Theorie und Praxis zusammengebracht.

Per Computersimulation berechnete Alberto Ferrari einen Designvorschlag für eine Formgedächtnislegierung, die auch bei hohen Temperaturen lange leistungsfähig bleibt. Alexander Paulsen stellte sie her und bestätigte experimentell die Vorhersage. Mit der Legierung aus Titan, Tantal und Skandium steht nicht nur eine neue Hochtemperaturformgedächtnislegierung zur Verfügung. Das Forschungsteam vom Interdisciplinary Centre for Advanced Materials Simulation (Icams) und vom Institut für Werkstoffe der Ruhr-Universität Bochum (RUB) hat auch gezeigt, wie man mithilfe theoretischer Vorhersagen schneller zu neuen Materialien kommt.

Unerwünschte Phase vermeiden

Formgedächtnislegierungen können nach einer Verformung ihre ursprüngliche Gestalt wieder einnehmen, wenn sich die Temperatur ändert. Diese Umformung beruht auf einer Umwandlung des Kristallgitters, in dem die Atome der Metalle angeordnet sind. Die Forscher sprechen von einer Phasenumwandlung. „Neben den erwünschten Phasen gibt es aber auch solche, die sich dauerhaft bilden und den Formgedächtniseffekt erheblich schwächen oder sogar völlig zerstören“, erklärt Dr. Jan Frenzel vom Institut für Werkstoffe. Die sogenannte Omega-Phase tritt jeweils bei einer bestimmten Temperatur auf, die von der Zusammensetzung des Materials abhängt. Viele bisherige Formgedächtnislegierungen für den Hochtemperaturbereich hielten jeweils nur wenige Verformungen aus, bevor sie durch die Bildung der Omega-Phase unbrauchbar wurden.

Vielversprechende Formgedächtnislegierungen für den Hochtemperatureinsatz basieren auf einer Mischung aus Titan und Tantal. Durch die Veränderung der Anteile dieser Metalle in der Legierung können die Forscher beeinflussen, bei welcher Temperatur die Omega-Phase eintritt. „Allerdings ist es leider so, dass man dadurch zwar diese Temperatur nach oben schieben kann, dabei aber auch die Temperatur der erwünschten Phasenumwandlung senkt“, so Jan Frenzel.

Beimischung verändert die Eigenschaften

Die Forscher der RUB wollten die Mechanismen des Eintritts der Omega-Phase im Detail verstehen und so Wege finden, die Leistungsfähigkeit von Formgedächtnislegierungen für den Hochtemperaturbereich zu verbessern. Dazu berechnete Alberto Ferrari, Doktorand am Icams, die Stabilität der jeweiligen Phasen in Abhängigkeit von der Temperatur für verschiedene Zusammensetzungen aus Titan und Tantal. „Er konnte damit die Ergebnisse aus Experimenten bestätigen“, berichtet Dr. Jutta Rogal vom Icams.

Im nächsten Schritt simulierte Alberto Ferrari die Beimischung kleiner Mengen dritter Elemente in die Formgedächtnislegierung aus Titan und Tantal. Die Kandidaten wählte er nach bestimmten Kriterien aus, zum Beispiel sollten sie möglichst ungiftig sein. Dabei kam heraus, dass eine Beimischung von wenigen Prozent Skandium dazu führen müsste, dass die Legierung auch bei hohen Temperaturen lange funktioniert. „Skandium gehört zwar zu den Seltenen Erden und ist entsprechend teuer. Aber da wir davon nur sehr wenig brauchen, lohnt sich der Einsatz trotzdem“, erklärt Jan Frenzel.

Vorhersage trifft genau ein

Alexander Paulsen stellte dann die von Alberto Ferrari berechnete Legierung im Institut für Werkstoffe her und prüfte ihre Eigenschaften im Experiment: Die Ergebnisse bestätigten die Berechnungen. Eine mikroskopische Untersuchung der Proben belegte später, dass tatsächlich auch nach vielen Verformungen keine Omega-Phase im Kristallgitter der Legierung zu finden war. „Wir haben damit nicht nur unser Grundlagenwissen über titanbasierte Formgedächtnislegierungen erweitert und mögliche neue Hochtemperaturformgedächtnislegierungen entwickelt“, so Jan Frenzel. „Es ist auch hervorragend, dass die Vorhersagen der Computersimulation so genau zutreffen.“ Da die Herstellung solcher Legierungen sehr aufwendig ist, verspricht die Umsetzung computergestützter Designvorschläge für neue Materialien wesentlich schnellere Erfolge.

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    Kevin Wonner

    Kevin Wonner, Jahrgang 1995, studierte Chemie mit dem Schwerpunkt der elektrochemischen Untersuchung von Nanopartikeln an der Ruhr-Universität Bochum und ist seit 2018 Doktorand am Lehrstuhl für Analytische Chemie II von Prof. Dr. Kristina Tschulik im Rahmen des Graduiertenkollegs 2376. Er ... mehr

    Mathies V. Evers

    Mathies Evers, Jahrgang 1989, studierte Chemie an der Ruhr-Universität Bochum, wo er an der Synthese atompräziser molekularer Cluster forschte. Nach seinem Masterabschluss begann er seine Doktorarbeit am Lehrstuhl für Analytische Chemie II von Prof. Dr. Kristina Tschulik und wird durch den ... mehr

    Prof. Dr. Kristina Tschulik

    Kristina Tschulik promovierte im Jahr 2012 an der TU Dresden und arbeitete als Postdoktorandin am Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden sowie an der Universität Oxford. Danach baute sie gefördert durch ein NRW-Rückkehrprogramm die Arbeitsgruppe für „Elektrochemie u ... mehr

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