Werkstoff aus Niob, Tantal, Titan und Hafnium zeigt erstaunliche Fähigkeiten.
Ein US-Forscherteam hat eine Metalllegierung aus Niob, Tantal, Titan und Hafnium entwickelt, die durch ihre ungewöhnlichen Eigenschaften andere Materialien in den Schatten stellt. Das unter dem Mikroskop spektakulär aussehende Nb45Ta25Ti15Hf15, so der Name, hält sowohl extremer Hitze als auch Kälte stand, ohne sich dauerhaft zu verformen, zu reißen oder zu brechen – eine Kombination, die nach Angaben der Wissenschaftler bislang fast unmöglich zu erreichen schien. Diese enorme Belastbarkeit könnte ein erster Schritt für die Entwicklung hocheffizienter Luft- und Raumfahrtmotoren der nächsten Generation sein, denn in diesem Anwendungsfeld sind möglichst hohe Betriebstemperaturen gefragt. Je heißer die Temperatur, bei der Brennstoff verbrannt wird, desto effizienter wird die Wärme in Strom oder Schub umgewandelt, erklärt Erstautor David Cook vom Lawrence Berkeley National Laboratory in Kalifornien. Eine Begrenzung stellten jedoch die Materialien dar, die in der Lage sind, dem standzuhalten. Weil derzeitige Werkstoffe nicht mehr weiter für hohe Temperaturen optimiert werden könnten, bestehe ein großer Bedarf an neuen metallischen Materialien, so Cook.
Die vier Metalle sind bereits häufige Bestandteile von Superlegierungen, die für hohe Temperaturen und starke mechanische Beanspruchungen geeignet sind. Der von den US-Forschern entwickelte Stoff gehört zu einer neuen Klasse, den sogenannten hoch- oder mittelentropischen Refraktärlegierungen (RHEAs/RMEAs). Anders als viele herkömmliche Legierungen, die aus einem Hauptmetall mit geringen Mengen anderer Elemente bestehen, werden sie durch das Mischen nahezu gleicher Mengen metallischer Elemente bei sehr hohen Schmelztemperaturen hergestellt. Dies verleihe ihnen einzigartige Eigenschaften, die derzeit intensiv erforscht werden und noch nicht komplett enträtselt sind.
20-mal stärker als kryogener Stahl
Auch das Team um Studienleiter Robert Ritchie vom Berkeley Lab erlebte während seiner Studien eine Überraschung. Durch frühere Arbeiten mit RHEAs und RMEAs war den Forschern bekannt, dass diese Werkstoffe zwar sehr fest sind, dafür aber zu den sprödesten Metallen überhaupt zählen. Geradezu schockiert seien sie gewesen, als Nb45Ta25Ti15Hf15 hingegen eine außergewöhnliche Zähigkeit aufwies, sagt Autor Punit Kumar. Die neue Legierung sei über 25-mal zäher als typische RMEAs bei Raumtemperatur und sogar 20-mal zäher als sogenannte kryogene Stähle, die durch extreme Kälte gehärtet und speziell für die Bruchfestigkeit entwickelt wurden.
Die Ansicht unter dem Rasterelektronenmikroskop zeigt die Legierung bei -196 Grad Celsius mit sogenannten Knickbändern, die sich in der Nähe einer Rissspitze gebildet haben. Knickbänder sind eine Art Defekt in der Materialstruktur und in diesem Fall verantwortlich für die ungewöhnliche Zähigkeit der Legierung.
Photo: Berkeley Lab
Bei insgesamt fünf Temperaturen bewerteten die Wissenschaftler die Festigkeit und Zähigkeit des Stoffs: -196 Grad Celsius – die Temperatur von flüssigem Stickstoff –, 25 Grad Celsius, also Raumtemperatur, sowie 800, 950 und 1.200 Grad Celsius – letzteres entspricht rund einem Fünftel der Oberflächentemperatur der Sonne. Dabei zeigte sich, dass die Legierung zwar bei Kälte die höchste Festigkeit zeigte, die Werte aber auch bei steigender Temperatur noch „beeindruckend“ waren. Der Risswiderstand war bei allen Temperaturen hoch.
Untersuchungen mit Elektronenmikroskopen gaben schließlich Aufschluss über den Ursprung der ungewöhnlichen Eigenschaften von Nb45Ta25Ti15Hf15. Eine Art Defekt in der Struktur des Materials, von dem bisher angenommen wurde, dass er Brüche begünstigt, bewirke in Wirklichkeit das Gegenteil und sei für die hohe Zähigkeit verantwortlich, heißt es in der Mitteilung des Berkeley Lab.
Bis die Legierung jedoch in den Antriebseinheiten von Flugzeugen oder Raketen zum Einsatz kommen könne, seien noch viel Grundlagenforschung und technische Tests nötig, so Ritchie. Die Studie zeige jedoch, dass das Metall Potenzial für die Triebwerke der Zukunft habe.
Mehr Innovation: Hafnium könnte auch in einer anderen Zukunftstechnologie eine entscheidende Rolle spielen, als Bestandteil einer ebenfalls neu entwickelten Legierung, die den Weg zum „heiligen Gral der Energieerzeugung“, der Kernfusion, ebnen könnte.
Beitragsbild: Berkeley Lab