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Donnerstag, 30 Mai 2024 08:31

Superlegierung trotzt extremer Hitze und Kälte zugleich

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Diese Abbildung zeigt Knickbänder, die sich in der Nähe einer Rissspitze während eines Rissausbreitungstests (von links nach rechts) in der Legierung bei -196 C gebildet haben Diese Abbildung zeigt Knickbänder, die sich in der Nähe einer Rissspitze während eines Rissausbreitungstests (von links nach rechts) in der Legierung bei -196 C gebildet haben (Quelle: Berkeley Lab)

Forschende des Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) haben eine außergewöhnliche Entdeckung gemacht: Sie entwickelten eine Metalllegierung, die sowohl bei hohen Temperaturen stabil bleibt als auch bei extremen Minusgraden nicht spröde wird – Werkstoffeigenschaften, die eigentlich nicht miteinander vereinbar sind.

Die neue Legierung besteht aus Niob, Tantal, Titan und Hafnium. Sie behält ihre Festigkeit selbst bei Temperaturen von bis zu 1.600 °C und zeigt keine Rissbildung bei Temperaturen bis minus 196 °C. Diese Eigenschaften machen sie zu einer potenziellen Schlüsselkomponente für Anwendungen in der Technik und Raumfahrt, wo Materialien extremen Bedingungen standhalten müssen. Das LBNL-Team um David Cook entdeckte diese Eigenschaften bei Experimenten mit sogenannten refraktären Hoch-Entropie-Legierungen (RHEA). Diese Legierungen bestehen aus mehreren Metallen mit hohem Schmelzpunkt, die in nahezu gleichen Anteilen gemischt sind.

Festigkeit selbst bei Temperaturen von bis zu 1.600 °C

„Unser Team arbeitet schon länger mit solchen Legierungen und wir haben immer wieder festgestellt, dass diese Materialien zwar sehr hitzestabil sind, aber eine extrem geringe Rissbeständigkeit besitzen“, erläutert Cooks Kollege Punit Kumar. Die neue Legierung jedoch verhielt sich anders und zeigte eine ungewöhnliche Kombination von Härte und Flexibilität. Die Analyse der Materialstruktur mittels kristallografischer Methoden enthüllte, dass sich im Kristallgitter der Legierung spezielle Defekte, sogenannte Kink-Bänder, bilden. Diese Bänder unterdrücken die Stresshärtung und verhindern die Ausbreitung von Rissen, indem sie Mikrostreifen des Kristalls in Richtung der höheren Scherbelastung reorientieren und Schäden von der Rissspitze weglenken. Diese Entdeckung könnte dazu führen, dass die Legierung in sicherheitskritischen Anwendungen wie Reaktoren, Motoren oder in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt wird, da sie außergewöhnliche Rissstabilität über extreme Temperaturbereiche hinweg aufweist.

Bis die Legierung jedoch in der Praxis eingesetzt wird, plant das Forschungsteam, ihre Merkmale und Eigenheiten weiter zu erforschen.

Die Ergebnisse der Studie wurden in der Zeitschrift „Science“ veröffentlicht, doi: 10.1126/science.adn2428.

Quellen: scinexx, DOE/Lawrence Berkeley National Laboratory

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