Eisen-Gold-Legierung mit stabiler Struktur
Aus nur nanometerkleinen Kristallen bestehende Metalllegierungen sind im Vergleich zu ihren gröber strukturierten Pendants weitaus belastbarer und härter. Die Vorteile dieser „Nanolegierungen“ sind jedoch durch die Tatsache begrenzt, dass ihre nanokristalline Struktur bei relativ hohen Temperaturen zerfällt. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts TheSBIE wurde eine Eisen-Gold-Legierung entwickelt, die ihre nanokristalline Struktur auch bei Temperaturen über 1 000 °C, bereits nahe dem Schmelzpunkt von Gold, beibehält.
Große Probleme mit winzigen Kristallen
Kristallithaltige Metalle werden normalerweise bei den hohen Temperaturen instabil, die bei der Herstellung und Verarbeitung von Metallen herrschen. Grund dafür ist, dass Kristallite wachsen und miteinander verschmelzen können, wodurch die Metalle weicher werden, was unerwünscht ist. „Benachbarte Kristallite haben verschiedene Orientierungen, was die Bildung einer Korngrenze zwischen ihnen bewirkt. Diese Grenzfläche ist insbesondere bei hohen Temperaturen gestört, wodurch zwischen den Kristalliten große Bereiche mit vergleichsweise offener Struktur entstehen“, erklärt Dor Amram, Koordinator von TheSBIE. Daher befinden sich die Atome an der Korngrenze in einem höheren als dem normalen Energiezustand, d. h. im Idealfall würden diese sich lieber in das Innere der Kristallite als in ihre Grenzflächen quetschen. Diese überschüssige Energie entsteht, weil der Kristall danach strebt, die Korngrenzen nach außen zu drängen. Infolgedessen neigen die Körner zum Wachsen, idealerweise immer weiter, bis zur Größe eines Einkristalls.
Neuartiger thermodynamischer Ansatz reduziert überschüssige Energie
Um grundlegende Stabilitätsprobleme nanokristalliner Legierungen bei hohen Temperaturen zu überwinden, verfolgte das Projektforschungsteam den Ansatz der „thermodynamischen Stabilisierung durch technisch veränderte Grenzflächen“ auf Basis von Entmischung. Amram erklärt das hinter diesem Konzept verborgene Prinzip: „Die Entmischung eines gelösten Stoffes an den Korngrenzen lässt einen Materialbereich mit einer diskreten Zusammensetzung und ganz eigenen Eigenschaften entstehen, die sich positiv oder negativ auf die Gesamteigenschaften des Werkstoffs auswirken können. Wichtig ist, dass diese ‚Zonen‘ mit erhöhter (oder reduzierter) Konzentration des gelösten Stoffes die überschüssige Energie der Korngrenzen reduzieren können, so dass der Kristall sie nicht länger wegschieben ,möchte‘. Die treibende Kraft für das Kornwachstum geht dann gegen Null, und die nanokristalline Legierung wird thermisch stabil.“ „Unsere Ergebnisse stellen die Lehrbuchweisheit in Frage, dass mit steigenden Temperaturen beschleunigtes Kornwachstum und Festigkeitsabnahme der nanokristallinen Legierung einhergehen. Korngrößen, die bei erhöhten Temperaturen schrumpfen, eröffnen eine neue Welt voller Möglichkeiten in Bezug auf die Werkstoffentwicklung, insbesondere für Anwendungen, bei denen hochfeste Werkstoffe für hohe Temperaturen gefordert sind“, fügt Amram hinzu.
Die bessere Alternative zur kinetischen Stabilisierung
Der die thermische Stabilität nanokristalliner Materialien bestimmende Mechanismus ist nicht nur thermodynamischer, sondern auch kinetischer Art – und schon lange bekannt. Bei der kinetischen Stabilisierung von Nanokristallen werden Sekundärpartikel unterschiedlicher Phase in die Legierung eingebracht. Diese Partikel dienen als „Anker“, welche die Korngrenzenbewegung verzögern oder behindern. Dieser Ansatz ist jedoch nur wenig von Nutzen, da mit ihm die treibende Kraft des Systems in Richtung Korngrenzenwachstum nicht in den Griff zu bekommen ist. „Es ist, als ob man Stöcke unter die Räder wirft. Das Material wird letztlich einen Weg finden, um die Korngrenzen auszuweiten“, sagt Amram. Die Projektergebnisse stellen die Forderung nach Grundlagenforschung über Korngrenzen bei nanokristallinen Werkstoffen in den Raum. „Korngrenzen mit null (oder negativer) Energie sind in der Gemeinschaft der Werkstoffwissenschaften ein polarisierendes und umstrittenes Thema. Theoretische Arbeiten und Simulationen könnten entgegengesetzt zu unseren Ergebnissen ausfallen, aber wir haben experimentell nachgewiesen, dass es tatsächlich möglich ist“, betont Amram abschließend.
Schlüsselbegriffe
TheSBIE, hohe Temperaturen, Korngrenzen, Kristallite, nanokristalline Legierung, Metall, Eisen-Gold, Entmischung, thermodynamische Stabilisierung
