Heißes Formgedächtnis

Per Computer­simulation berechnete Alberto Ferrari vom Inter­disciplinary Centre for Advanced Materials Simulation Icams einen Designvorschlag für eine Formgedächtnis­legierung, die auch bei hohen Temperaturen lange leistungs­fähig bleibt. Alexander Paulsen vom Institut für Werkstoffe der Ruhr-Universität Bochum stellte sie her und bestätigte experimentell die Vorhersage. Mit der Legierung aus Titan, Tantal und Skandium steht nicht nur eine neue Hochtemperatur­formgedächtnis­legierung zur Verfügung. Damit hat das Forschungs­team gezeigt, wie man mithilfe theoretischer Vorhersagen schneller zu neuen Materialien kommt.

Formgedächtnis­legierungen können nach einer Verformung ihre ursprüngliche Gestalt wieder einnehmen, wenn sich die Temperatur ändert. Diese Phasen­umwandlung beruht auf einer Umwandlung des Kristallgitters, in dem die Atome der Metalle angeordnet sind. „Neben den erwünschten Phasen gibt es aber auch solche, die sich dauerhaft bilden und den Formgedächt­niseffekt erheblich schwächen oder sogar völlig zerstören“, erklärt Jan Frenzel vom Institut für Werkstoffe. Die Omega-Phase tritt jeweils bei einer bestimmten Temperatur auf, die von der Zusammen­setzung des Materials abhängt. Viele bisherige Formgedächtnis­legierungen für den Hochtempera­turbereich hielten jeweils nur wenige Verformungen aus, bevor sie durch die Bildung der Omega-Phase unbrauchbar wurden.

Vielver­sprechende Formgedächtnis­legierungen für den Hochtemperatur­einsatz basieren auf einer Mischung aus Titan und Tantal. Durch die Veränderung der Anteile dieser Metalle in der Legierung können die Forscher beeinflussen, bei welcher Temperatur die Omega-Phase eintritt. „Allerdings ist es leider so, dass man dadurch zwar diese Temperatur nach oben schieben kann, dabei aber auch die Temperatur der erwünschten Phasen­umwandlung senkt“, so Jan Frenzel. Die Forscher wollten die Mechanismen des Eintritts der Omega-Phase im Detail verstehen und so Wege finden, die Leistungsfähigkeit von Formgedächtnis­legierungen für den Hoch­temperaturbereich zu verbessern. Dazu berechnete Alberto Ferrari, Doktorand am Icams, die Stabilität der jeweiligen Phasen in Abhängigkeit von der Temperatur für verschiedene Zusammen­setzungen aus Titan und Tantal. „Er konnte damit die Ergebnisse aus Experimenten bestätigen“, sagt Jutta Rogal vom Icams.

Im nächsten Schritt simulierte Alberto Ferrari die Beimischung kleiner Mengen dritter Elemente in die Formgedächtnis­legierung aus Titan und Tantal. Die Kandidaten wählte er nach bestimmten Kriterien aus, zum Beispiel sollten sie möglichst ungiftig sein. Dabei kam heraus, dass eine Beimischung von wenigen Prozent Skandium dazu führen müsste, dass die Legierung auch bei hohen Temperaturen lange funktioniert. „Skandium gehört zwar zu den Seltenen Erden und ist entsprechend teuer. Aber da wir davon nur sehr wenig brauchen, lohnt sich der Einsatz trotzdem“, erklärt Jan Frenzel. Alexander Paulsen stellte dann die von Alberto Ferrari berechnete Legierung im Institut für Werkstoffe her und prüfte ihre Eigenschaften im Experiment.

Die Ergebnisse bestätigten die Berechnungen. Eine mikro­skopische Untersuchung der Proben belegte später, dass tatsächlich auch nach vielen Verformungen keine Omega-Phase im Kristallgitter der Legierung zu finden war. „Wir haben damit nicht nur unser Grundlagenwissen über titanbasierte Formgedächtnis­legierungen erweitert und mögliche neue Hochtemperatur­formgedächtnis­legierungen entwickelt“, so Jan Frenzel. „Es ist auch hervorragend, dass die Vorhersagen der Computer­simulation so genau zutreffen.“ Da die Herstellung solcher Legierungen sehr aufwendig ist, verspricht die Umsetzung computer­gestützter Designvorschläge für neue Materialien wesentlich schnellere Erfolge.

RUB / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  A. Ferrari et al.: Discovery of ω-free high-temperature Ti-Ta-X shape memory alloys from first-principles calculations, Phys. Rev. Mat. 3,  103605(2019); DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.3.103605
• Interdisciplinary Centre for Advanced Materials Simulation, Ruhr-Universität Bochum
• Institut für Werkstoffe, Fakultät Maschinenbau, Ruhr-Universität Bochum