Neue Werkstoffe für neue Herausforderungen

Energiewende, Rohstoffknappheit, Globalisierung – unsere Gesellschaft, unsere regionale Industrie und die globale Wirtschaft stehen vor ganz neuen Herausforderungen. Um diesen modernen Ansprüchen an Mobilität, Urbanisierung oder Digitalisierung gerecht zu werden, sind innovative Technologien gefragt. Sie müssen den technischen Fortschritt gewährleisten, gleichzeitig aber auch Gesundheit und Lebensqualität der Menschen erhalten und dazu einen nachhaltigen Umgang mit Ressourcen sicherstellen.

Herkömmliche Materialien als Grundlage neuer Technologien stoßen schnell an die Grenzen ihrer Einsatzmöglichkeiten: Flugzeuge müssen lange Distanzen bei extremen Temperaturen überwinden können, neue Computer- und Regelungstechniken verlangen neue Materialien mit speziellen Eigenschaften, die Anforderungen der Autoindustrie fokussieren immer stärker auf Sicherheit. Die Entwicklung innovativer, leistungsfähiger metallischer und intermetallischer Werkstoffe steht im Mittelpunkt der Forschergruppen „Metallische Werkstoffe“ und „Spezielle Metallische Werkstoffe“ des Instituts für Werkstoff- und Fügetechnik an der Fakultät für Maschinenbau. So liegt das Augenmerk der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auf metallischen Hochtemperaturwerkstoffen, wie sie beim Bau von Turbinen für Kraftwerke oder in Flugzeugtriebwerken eingesetzt werden, sowie Stählen und Leichtbauwerkstoffen für den Karosseriebau oder Haushaltswaren.

Hohe Temperatur, hohe Wirkung

Zu Zeiten von Dampfmaschinen überstiegen die Arbeitstemperaturen die 500 °C nicht wesentlich. In modernen Turbinen werden heute Temperaturen von 1.400 °C und mehr erreicht. Hier und auch beim Hochofenbau, in der Verfahrenstechnik oder im Aggregatebau kommen Hochtemperaturwerkstoffe zum Einsatz. Diese hat Juniorprofessorin Manja Krüger in den Fokus ihrer Forschungsarbeit gerückt. Derzeit sind Nickelbasis-Superlegierungen, die Temperaturen bis zu 1.100 °C aushalten, im Einsatz. In Turbinen – ob in Flugzeugen oder Gasturbinen zur Stromerzeugung – gilt: Je höher die Verbrennungstemperatur, desto höher der Wirkungsgrad. „Die thermodynamischen Stellgrößen – Druck und Temperatur – sind verhältnismäßig leicht zu variieren“, schildert Manja Krüger. „Schwieriger wird es da schon bei den Werkstoffen für die Brennkammer, in der die Verbrennungsprozesse ablaufen. Sie dürfen nicht unter der hohen Verbrennungstemperatur leiden. Hier liegt die große Herausforderung für die Werkstoffwissenschaft: Die neuen komplexen Hochtemperaturwerkstoffe müssen also so designt werden, dass sie höhere Temperaturen, und dabei sprechen wir von bis 1.200 °C, ertragen können, ohne dass sie Schaden nehmen.“

Ohne Materialforschung ist Fortschritt nicht möglich: vom Werkstoff zur Innovation

Das extrem heiße Gas trifft auf die Turbinenschaufel, die durch den Gasdruck mit sehr hohen Geschwindigkeiten rotiert und durch besonders hohe Zentrifugalkräfte belastet wird. Eine Turbinenschaufel müsse also bei extremen Temperaturen und enormen Krafteinwirkungen immer noch eine hohe Festigkeit aufweisen, und das über eine möglichst lange Nutzungsdauer. Aber wie entsteht ein neuer Werkstoff? „Da geht es ein bisschen zu wie in der Hexenküche“, sagt Juniorprofessorin Dr.-Ing. Manja Krüger mit einem Augenzwinkern. „Nein, im Ernst. Wir sondieren im ersten Schritt, welche Elemente des Periodensystems bei hohen Temperaturen schmelzen. Da sind beispielsweise Molybdän, das eine Schmelztemperatur von etwa 2.600 °C erreicht, oder Wolfram, dessen Schmelztemperatur bei etwa 3.400 °C liegt. Diese Elemente allein sind allerdings nicht für den Bau von Turbinenschaufeln nutzbar, da sie viel zu weich sind und sich unter mechanischer Belastung verformen. Im nächsten Schritt überlegen wir, welche Elemente hochfeste Verbindungen eingehen“, erläutert die Ingenieurin weiter. „Mit der Zugabe weiterer Elemente – Silizium, Bor, Chrom u. a. – verändern wir die Kristallstruktur. Einfach gesagt: Je komplexer die Kristallstruktur wird, desto fester wird der Werkstoff. Wir suchen nun den optimalen Partner für unseren Basiswerkstoff, der möglichst komplizierte Kristallstrukturen erzeugt. Typischerweise sind das Verbindungen aus mindestens zwei Metallen, die sogenannten intermetallischen Phasen. Sie sind extrem fest, hochschmelzend und meist auch korrosions- und oxidationsbeständig sowie sehr komplex in ihren Kristallstrukturen.“

Diese Kristallstrukturen beschäftigen auch Professor Thorsten Halle. Er untersucht Stähle, Leichtbauwerkstoffe und andere Metalle: „Durch gezielte Veränderung der inneren Struktur können wir Werkstoffe mit maßgeschneiderten Eigenschaften erzeugen. Betrachten wir die Mikrostruktur beispielsweise von Stählen, so sind es Polykristalle, die zusammengesetzt sind aus vielen kleinen Körnern. Deren Größe, Aufbau, Grenzflächen und Anordnung bestimmen die makroskopischen Eigenschaften der Werkstoffe. Je kleiner die Korngröße, desto höher ist die Festigkeit, dies wiederum beeinflusst die Verformbarkeit.“ Nun versuchen die Magdeburger Forscher, z. B. die Größe der Kristallite durch verschiedene Fertigungsverfahren wie Kaltwalzen, Schmelzen oder Wärmebehandlung zu variieren. Wie ein verändertes Temperatur-Zeit-Regime bei der Wärmebehandlung die Korrosionseigenschaften von Küchenmessern verbessert, ist da ein ganz praktisches Beispiel. Jede Hausfrau würde nur allzu gern die „guten“ Messer in die Spülmaschine tun, doch allzu schnell stellt sich dann bei den teuren Küchenhelfern Lochkorrosion ein. Ein Problem, das die Industrie sehr beschäftigt und dem am Lehrstuhl Metallische Werkstoffe nachgegangen wird.

Dabei kann die notwendige chemische Zusammensetzung der Stahlwerkstoffe im Computer modelliert werden. Stahl ist eine Legierung, die neben dem Hauptbestandteil Eisen nicht mehr als 2,06 Prozent Kohlenstoff und weitere Legierungselemente enthält. Die Modifikation der Legierungselemente kann die verschiedensten Eigenschaften beeinflussen: Der Anteil von Chrom wirkt sich auf die Korrosionsbeständigkeit aus. Der Zusatz von Nickel verändert die Zähigkeit, während das Zufügen von Molybdän die Wärmefestigkeit erhöht. „In welchem Anteil die Legierungselemente dem Stahl zugefügt werden und in welchem Maße sich dadurch die Eigenschaften des Werkstoffs ändern, simulieren wir am Rechner, ebenso wie die Bildung der Mikrostruktur“, erläutert Professor Halle.

Fingerspitzengefühl bei der Kombination

Auch das Team um Juniorprofessorin Krüger simuliert auf Basis der Zusammensetzung der neuen Hochtemperaturwerkstoffe bestimmte Eigenschaften abhängig von der späteren Verwendung. Die hochfesten Komponenten, also die intermetallischen Phasen, werden mit den hochschmelzenden Metallen wie Molybdän oder Wolfram kombiniert, so dass Verstärkungsstrukturen entstehen. Die festen Phasen können dann als Partikel oder Fasern in eine Matrix eingebaut werden. Das verlange Fingerspitzengefühl, so Manja Krüger. „Das ist nicht trivial, denn die intermetallischen Phasen stellen wir selbst her.“ Für die Hochzeit der intermetallischen Phasen mit den hochschmelzenden Metallen gibt es zwei Verfahrensweisen, welche die Magdeburger Forscherin nutzt: den Schmelzprozess und den pulvermetallurgischen Prozess. Der Schmelzprozess ermöglicht eine gerichtete Erstarrung, die es erlaubt, die Fasern „in situ“, also im Prozess des Schmelzens, in einer bestimmten Richtung mit der Matrix zu verbinden. Die Wissenschaftler können das Volumen und den Anteil der faserartigen Mikrostruktur sowie deren Orientierung ganz genau steuern und darüber die Eigenschaften des hochreinen Werkstoffs festlegen. Bei Schmelztemperaturen um die 2.000 °C kein leichtes Unterfangen. Diese gerichtet erstarrten Werkstoffe eignen sich besonders gut für eine einachsige Zugbeanspruchung, wie sie z. B. bei Schaufeln in Gasturbinen auftreten, sind jedoch durch einen hohen Energieeinsatz sehr kostenintensiv in der Herstellung.

Beim pulvermetallurgischen Verfahren werden Elemente, wie z. B. Molybdän, Silizium oder Bor, beliebig kombiniert in einer Spezialmühle unter einem festgelegten Energieeintrag gemahlen. Das Ganze geschieht unter Schutzgas, da die Pulver sofort mit dem Luftsauerstoff reagieren würden. Nach dem Mahlen haben sich die Elemente auf atomarer Ebene vermischt. Die Ursprungselemente sind nicht mehr in Reinform vorhanden. Das Mahlgut wird bei bis zu 1.600 °C gepresst und Verstärkungsphasen bilden sich als Teilchen aus. Diese teilchenverstärkten Werkstoffe taugen für den Einsatz bei sich überlagernden Beanspruchungen – Zug, Druck, Biegung, Torsion – und sind günstiger in der Herstellung. Welches der beiden Verfahren – Schmelze oder Pulvermetallurgie – sich in der Praxis für die Herstellung der neuen Hochtemperaturwerkstoffe eignet, ist Gegenstand aktueller Forschungen.
Oder wird es möglicherweise eine ganz andere Fertigungstechnologie sein, welche die junge Wissenschaftlerin und ihr Team gemeinsam mit dem ortsansässigen Unternehmen CITIM für ihre Werkstoffe derzeit erprobt? OVGU-Absolventen haben die Firma mit Sitz in Barleben gegründet.

Auf Herz und Nieren prüfen

Für die additive Fertigung von Bauteilen mittels Selective Laser Melting, einem speziellen Schmelzverfahren durch Laserstrahl, werden aus einem Pulverbett bereits Bauteile hergestellt. Das ist nicht neu. Nun aber müssen sich die neuen Legierungen aus dem Institut für Werkstoff- und Fügetechnik unter dem Laserstrahl bewähren. Erste Pröbchen sind gefertigt, liegen bereits unter dem Rasterelektronenmikroskop und werden von dem Wissenschaftlerteam auf Herz und Nieren, sprich auf mechanische Belastbarkeit, Wiederstand gegen Rissinititierung und -ausbreitung sowie Temperaturfestigkeit, geprüft. Dafür steht ihnen ein ganzer „Gerätepark“ im Gebäude 50 zur Verfügung. Dazu gehören spezielle Werkstoffprüfmaschinen, z. B. sogenannte Kriechprüfstände, die Langzeitzug-, -druck- und -biegeversuche bei Temperaturen bis 1.200 °C ermöglichen. Diese zeigen, wie sich der Werkstoff bei geringster Beanspruchung über einen definierten Zeitraum verformt. Mit einer Ionenstrahl-Anlage können gezielt Oberflächen abgetragen und eine regelrechte Topographie der Oberfläche erzeugt werden. Damit lässt sich die Verteilung der Partikel im unteren Mikrometerbereich auswerten. So können Rückschlüsse gezogen werden, ob die gewünschten Werkstoffeigenschaften auch erreicht wurden oder weiter optimiert werden muss. Auch die neugestalteten Stähle von Professor Halle werden unter die Lupe genommen und einer mechanischen Prüfung unterzogen, Härte und Festigkeit gemessen, Fließkurven erstellt, um zu erfahren, ob die vorher im Computer berechneten Eigenschaftsanpassungen erreicht wurden.
Noch immer sind metallische Werkstoffe im Maschinenbau dominierend, doch die Anforderungen an Zuverlässigkeit und Lebensdauer erhöhen sich ständig. Optimale und maßgeschneiderte Lösungen für individuelle Aufgabenstellungen zu finden, das haben sich die Werkstoffwissenschaftler Juniorprofessorin Manja Krüger und Professor Thorsten Halle mit ihren Teams vorgenommen, dafür forschen sie, modifizieren altbewährte Materialien und entwickeln neue metallische und intermetallische Werkstoffe.

 

Wussten Sie schon, dass ...

	...ganze Entwicklungsepochen der Menschheit nach den jeweils zu jener Zeit zur Verfügung stehenden Materialien benannt worden sind: Steinzeit, Bronzezeit und Eisenzeit? Der Einsatz von Werkstoffen zieht sich durch die gesamte Menschheitsgeschichte und ist wesentliche Triebfeder für technologischen Fortschritt. Werkstoffe sind elementare Ausgangs- und Grundstoffe für Produkte, Erzeugnisse, Werkstücke, deren Qualität und Eigenschaften durch die Wahl geeigneter Werkstoffe entscheidend beeinflusst werden.
	...bereits die Hethiter vor ca. 3500 Jahren einfachen Stahl für die Fertigung von Waffen herstellten? Stähle sind metallische Legierungen, deren Hauptbestandteil Eisen ist. Sie haben einen Kohlenstoffgehalt von weniger als 2,06 Prozent und sind umformbar. Heute sind im Register europäischer Stähle über 2.500 Stahlsorten (Stand: 2013) aufgelistet. Weltweit werden jährlich etwa 1,6 Milliarden Tonnen Stahl hergestellt (Stand 2014).
	...Gold, Silber und Kupfer seit dem 8. Jahrtausend v. Chr. technisch genutzt werden? Zunächst als elementar vorkommende Metalle, später auch als Legierung. Die erste Legierung war Bronze. Ihre Herstellung setzte Bergbau und Verhüttungstechniken voraus. Die immer bessere Beherrschung dieser Technologien führte bald dazu, dass auch Eisen verhüttet werden konnte. Die Metallbearbeitung ermöglichte die Herstellung komplex geformter Werkzeuge und Bauteile, die schließlich durch die Erfindung der Dampfmaschine die industrielle Revolution einleitete.
	...Absolventen der Universität Magdeburg das Start-up Powder Technologies gründeten? Durch Pulvermetallurgie können Bauteile mit sehr hoher Genauigkeit, geringem Materialeinsatz sowie komplexen geometrischen Formen ressourcenschonend gefertigt werden. Das Start-up entwickelt Konzepte, um individuell abgestimmte metallische Pulver von hoher Materialqualität als Ausgangsstoff für pulvermetallurgische Erzeugnisse bereitzustellen. Anwendung finden pulvermetallurgische Fertigungsverfahren in der Automobil-, Luft- und Raumfahrtindustrie, der Medizintechnik, der Elektrotechnik und der Konsumgüterindustrie.