DFG finanziert Forschung an metallischen Gläsern

Foto Levitation Für geschmolzene Metalle gibt es keinen Behälter, sie werden deshalb für die Untersuchung im Neutronenstrahl durch elektrostatische Kräfte fixiert. © DLR Institut für Materialphysik im Weltraum

Für geschmolzene Metalle gibt es keinen Behälter, sie werden deshalb für die Untersuchung im Neutronenstrahl durch elektrostatische Kräfte fixiert. © DLR Institut für Materialphysik im Weltraum

Am 1. Oktober startet ein Projekt, das zwei Jahre lang die mikroskopische Struktur und Dynamik massiver metallischer Gläser untersucht.

Metallische Gläser sind eine neue Materialklasse mit vielversprechenden Eigenschaften. Sie sind beispielsweise viel härter und widerstandsfähiger als Metalle oder Stahl-Legierungen. Anders als Metalle haben sie keinerlei kristalline Struktur, sondern einen völlig ungeordneten amorphen Aufbau wie Gläser. Ihre Herstellung ist allerdings außerordentlich schwierig, denn die metallische Schmelze muss sehr schnell von außen nach innen abgekühlt werden sonst kristallisieren sie wie ein normales Metall. Das war der Grund, dass in der Vergangenheit eigentlich ausschließlich sehr dünne Formen oder Schichten von maximal 2 mm Wanddicke zu realisieren waren und dementsprechend ihr Einsatzgebiet beschränkt war.

Kürzlich haben Wissenschaftler allerdings entdeckt, dass eine geringfügige Zugabe von zusätzlichen Legierungselementen dazu führt, dass Wanddicken von etwa 5 bis 10 mm möglich sind, und das auch in „einfachen“ Legierungssystemen aus nur zwei bis drei Komponenten. Die Gründe dafür sind bis jetzt unklar, dem soll das neue Projekt abhelfen. Dr. Zach Evenson vom Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ) wird mit dem Flugzeitspektrometer TOFTOF am FRM II untersuchen, wie geringfügige Zugaben mit den Nickel- und Zirkonatomen in einer Schmelze interagieren und was genau auf der atomaren Ebene und innerhalb von Picosekunden in der heißen Mischung geschieht. Die Hauptbestandteile des metallischen Glases sind Nickel, Kupfer und Zirkon, Aluminium in wechselnden Mengenverhältnissen ermöglicht die dickeren Wandstärken und damit auch eine ganz andere Formgebung bei den Bauteilen.

Wie untersucht man eine heiße metallische Probe, für die es kein geeignetes Gefäß gibt? Alle denkbaren Behälter würden mit der Schmelze reagieren und eine einwandfreie Untersuchung damit verhindern. Der Ausweg heißt in diesem Fall „Levitation“: die heiße Legierung schwebt mit Hilfe elektrostatischer Aufladung als Tropfen, ohne Behälter und ohne Halterung im Neutronenstrahl. Diese Methode erlaubt es, die Metallmischung mit einem starken Laser sehr schnell aufzuheizen und auch wieder abzukühlen. „So stellen wir sicher, dass wir wirklich die realen Verhältnisse auf atomarer Ebene ohne äußere Störung untersuchen können“, meint Projektleiter Zach Evenson.

Neutronenstreuung wird jedoch nicht die einzige Methode sein, die Evenson anwendet, um die Geheimnisse eines metallischen Glases zu enthüllen. Er setzt auch Synchrotron-Röntgenmethoden ein, vor allem aber Simulations- und Theorietechniken, um die Beziehungen zwischen der mikroskopischen Struktur und Dynamik und der glasbildenden Fähigkeit zu klären. Dabei wird er eng mit Wissenschaftlern der Universität Düsseldorf und dem Institut für Materialphysik im Weltraum des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Köln zusammenarbeiten.