Spannung lass nach: Rissbeständige Materialien für die Raumfahrt

Zu hohe Spannungen in einem Material können zu Rissen führen und es damit unbrauchbar machen. Um das zu verhindern, haben Forschende am Material Science Lab des MLZ einen vielversprechenden Verbundwerkstoff untersucht.

IMG 1378.1 Dr. Xingxing Zhang bei der Arbeit am am Neutronendiffraktometer STRESS-SPEC. © FRM II / TUM

Dr. Xingxing Zhang bei der Arbeit am am Neutronendiffraktometer STRESS-SPEC. © FRM II / TUM

Werkstoffe sollen in Industrie und Forschung eine ganze Reihe von Kriterien erfüllen. Zum Beispiel müssen sie für Anwendungen in der Raum- oder Schifffahrt besonders fest und korrosionsbeständig sein – damit etwa Raumschiffe die hohen Temperaturen und kosmische Strahlung überstehen oder Schiffe dem dauerhaften Kontakt mit Salzwasser standhalten.

Verschleißfeste Schutzschicht

Das Forschungsteam um Dr. Michael Hofmann, Instrumentwissenschaftler am STRESS-SPEC des MLZ, hat nun ein bestimmtes Material untersucht, dass den Verschleiß senken kann: einen Verbundwerkstoff aus einer Bronze-Legierung, die an der Oberfläche mit Wolframkarbid verstärkt ist.

IMG 8227.1 Armin Kriele im Material Science Labor des MLZ führte die Untersuchungen am Rasterelektronenmikroskop (nicht im Bild) durch. © Bernhard Ludewig; FRM II / TUM

Armin Kriele im Material Science Labor des MLZ führte die Untersuchungen am Rasterelektronenmikroskop (nicht im Bild) durch. © Bernhard Ludewig; FRM II / TUM

„Wolframkarbid ist fast so hart wie Diamant und macht Materialien besonders verschleißfest“, so Michael Hofmann. Den Grenzbereich zwischen den beiden Materialien passten die Forschenden durch Laser-Wärmebehandlungen gezielt an. „Das ist eine sehr industrienahe Anwendung“, erklärt Dr. Xingxing Zhang, der als Postdoktorand am MLZ das Projekt federführend bearbeitete, „es kommt zum Beispiel bei Schiffsschrauben zum Einsatz. Wenn da die Beschichtung abplatzt, geht das Material kaputt.“ In anderen Werkstoffen konnte Wolframkarbid den Verschleiß bereits um bis zu 80% senken.

IMG 8264 Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Probenquerschnitts. Die Wolframkarbidkugeln (grün) dienen der Oberflächenverstärkung der Kupferbronze (braun). © Armin Kriele, FRM II / TUM

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Probenquerschnitts. Die Wolframkarbidkugeln (grün) dienen der Oberflächenverstärkung der Kupferbronze (braun). © Armin Kriele, FRM II / TUM

Neutronen machen Spannungen sichtbar

Der getestete Werkstoff hat jedoch derzeit noch hohe innere Spannungen, sogenannte Eigenspannungen. Sie entstehen bei der Herstellung sowie durch die unterschiedlichen Eigenschaften der Werkstoffe. Eigenspannungen limitieren die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer des Verbundwerkstoffes. Da sie außerdem zu Rissbildung, Verformung und schneller Ermüdung führen, müssen sie möglichst klein gehalten werden. „Wir haben das Material zunächst geröntgt“, erklärt Michael Hoffmann. Dafür stellte sich Wolframkarbid allerdings als zu dicht heraus. „Es lässt praktisch keine Strahlung durch. Für uns waren Neutronen deshalb essenziell.“

IMG 0511 Dr. Michael Hofmann justiert eine Probe am Instrument STRESS-SPEC. © Bernhard Ludewig

Dr. Michael Hofmann justiert eine Probe am Instrument STRESS-SPEC. © Bernhard Ludewig

Die Messungen mit Neutronen führten die Forschenden am OPAL Forschungsreaktor der Australian Nuclear Science and Technology Organisation durch. Das Team nutzte außerdem das Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop des Materials Science Lab am MLZ, um die Materialstruktur und Verteilung der Elemente detailreich auflösen zu können. Das Rasterelektronenmikroskop wird gemeinsam vom Jülich Center for Neutron Science und dem Helmholtz-Zentrum hereon am MLZ betrieben.

Weniger Eigenspannungen dank Hitze

Die Forschenden fanden heraus, dass das Vorheizen des Materials Eigenspannungen reduzierte. Hierbei wird der Werkstoff vor der Analyse kurzzeitig erhitzt. „In einem industriellen Prozess möchte man nicht jedes Mal zum Forschungsreaktor gehen müssen – da möchte man eine Simulation, die ein verlässliches Ergebnis liefert.“, so Xingxing Zhang. „Mit unseren Ergebnissen könnte man ein solches Modell aufstellen und qualifizieren.“