Ohio-State-Studie: gezielte Kristalldefekte stärken zwei Legierungen, ohne deren Chemie zu verändern

Ein Team unter Leitung von Forschern der Ohio State University berichtet, dass gezielt eingebrachte Kristalldefekte, die in dichten geordneten Netzwerken angeordnet wurden, zwei Metalllegierungen stärker machten, ohne deren chemische Zusammensetzung zu verändern. Die begutachtete Studie wurde laut einer Pressemitteilung der Universität diese Woche in Science veröffentlicht. Co-Autoren stammen von der Universität Erlangen-Nürnberg in Deutschland und dem Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien.

Die Methode umfasst zwei Schritte. Die Forscher verformten zunächst die Kristalle zweier kobaltbasierter Materialien, einer nickelhaltigen Superlegierung und einer Chrom-Wolfram-Legierung, und ließen das Material dann langsam durch Wärme altern. Laut der Mitteilung entstanden dabei dichte, atomar dünne Strukturen im Inneren des Gefüges. Der Titel der Arbeit, wie von TechXplore zitiert, beschreibt diese als geordnete zweidimensionale Defektphasen. Mithilfe von Transmissionselektronenmikroskopie und Computersimulationen führte das Team den Festigkeitsgewinn auf die Atomanordnung um diese Defekte zurück; laut der Mitteilung könnte eine Änderung dieser Anordnung die Festigkeit des Materials beeinflussen.

Laut der Mitteilung erhöhte das Verfahren sowohl die Spannung, die die Metalle ertragen konnten, als auch ihre Beständigkeit gegen langsame Verformung, also Kriechen, bei hohen Temperaturen deutlich. Erstautor Andreas Bezold, Adjunct Assistant Professor für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik an der Ohio State, sagte, die Ergebnisse deuteten darauf hin, dass eine Schicht gezielter Defekte die konventionelle Materialgestaltung ergänzen könnte. «Wir wollten diese verstärkenden Strukturen zu einem bewussten Bestandteil des Materialdesigns machen», sagte er. Die Arbeit baut auf früherer Ohio-State-Forschung auf, die zeigte, dass bei der Verformung entstehende Defekte zu verstärkenden Schichten werden können; die Mitteilung beschreibt den neuen Ansatz als den ersten, der Defektdichten einführt, die diese Legierungen vollständig anreichern.

Co-Autor Michael Mills, Professor für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik an der Ohio State, sagte, obwohl Defekte gewöhnlich mit Schäden assoziiert werden, «können die richtigen Defekte mit der richtigen Struktur und Chemie ein Material tatsächlich stärker machen». Die Mitteilung legt nahe, dass der Ansatz künftig zur Herstellung hochfester Legierungen für Geräte eingesetzt werden könnte, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind, und nennt Flugzeugturbinen und Kraftwerksmaschinen als Beispiele, stellt dies jedoch als zukünftige Möglichkeit dar. Derzeit bestehe der Beitrag des Teams darin, die Gestaltungsprinzipien im Ingenieurwesen zu erweitern.

Die Ergebnisse stammen aus einer einzigen begutachteten Studie an zwei bestimmten Legierungen. Die Mitteilung berichtet weder über industrielle Versuche noch Bauteilprüfungen oder quantitative Festigkeitswerte und nennt keinen Zeitrahmen für den praktischen Einsatz. Die Finanzierung kam vom US-Energieministerium und der National Science Foundation, mit weiterer Unterstützung der Alexander-von-Humboldt-Stiftung und dem Center for Electron Microscopy and Analysis der Ohio State.