10x stärker als Stahl und nicht spröde:
Forscher zeigen neue Legierung

Forscher haben einen neuartigen Metallwerkstoff entwickelt, der um ein Vielfaches stärker als Stahl und zugleich nicht spröde ist. Damit könnte ein grundlegendes Problem vieler Hochleistungswerkstoffe gelöst werden, die jeweils nur in einem Bereich punkteten.

Material für Turbinen

Werkstoffe für Flugzeugtriebwerke, Gasturbinen oder andere Hochleistungsanwendungen müssen enormen Temperaturen und mechanischen Belastungen standhalten. Besonders sogenannte intermetallische Verbindungen gelten hier als vielversprechend, da sie sehr fest, hitzebeständig und widerstandsfähig gegen langsame Verformung unter Dauerbelastung sind. Allerdings besitzen sie einen entscheidenden Nachteil: Sie sind meist spröde und brechen unter Belastung, anstatt sich zu verformen.

Ein Forschungsteam der Purdue University konzentrierte sich nun auf die Verbindung Kobaltaluminid (CoAl), die bereits als Kandidat für Bauteile in Turbinen galt. Durch eine gezielte Veränderung der inneren Struktur auf der Nanometerskala gelang es den Wissenschaftlern, die Materialeigenschaften deutlich zu verbessern. Das neu entwickelte Nanolaminat erreicht eine Streckgrenze von mehr als sechs Gigapascal und ist damit etwa sechs- bis zehnmal fester als hochfester Baustahl. Gleichzeitig hält es bei Raumtemperatur eine plastische Verformung von rund 15 Prozent aus, ohne zu versagen.


Der Schlüssel zu diesem Erfolg liegt in einer ungewöhnlichen Materialarchitektur. Die Forschenden bauten gezielt Versetzungen, winzige Unregelmäßigkeiten im Kristallgitter, in das Material ein. Zusätzlich schufen sie amorphe Grenzschichten, in denen die Atome nicht regelmäßig angeordnet sind. Während einer Belastung verändern sich diese Grenzbereiche teilweise und erzeugen neue Versetzungen, wodurch das Material Kräfte aufnehmen und sich verformen kann, ohne seine hohe Festigkeit einzubüßen.

Großproduktion steht noch aus

Hergestellt wurde der Werkstoff mithilfe des Magnetron-Sputterns. Dabei wird das Material nicht wie beim Gießen aus einer Schmelze erzeugt, sondern aus einer Metall-Dampfphase als dünne Schicht abgeschieden. Dieses Verfahren ermöglichte es, die gewünschte Nanostruktur gezielt aufzubauen.

Die Wissenschaftler überprüften das Verhalten des Materials unter Druck in einem Rasterelektronenmikroskop und ergänzten die Experimente durch Computersimulationen auf atomarer Ebene. Beide Methoden bestätigten, dass die speziellen Grenzflächen eine aktive Rolle bei der Verformung spielen.

Noch handelt es sich um einen dünnschichtigen Nanowerkstoff und nicht beispielsweise um ein fertiges Turbinenbauteil. Als nächsten Schritt wollen die Forschenden das Konzept auf größere Materialsysteme und weitere intermetallische Verbindungen übertragen. Gelingt dies, könnten zukünftig widerstandsfähigere Werkstoffe für Luft- und Raumfahrt, Energietechnik sowie Verteidigungsanwendungen entstehen.


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