Materialforscher entwickeln neue Klasse metallischer Gläser
Leichtbauanwendungen möglich
Drei junge Forscher der Universität des Saarlandes haben eine neue Klasse so genannter amorpher Metalle entwickelt. Da diese Legierungen, auch metallische Gläser genannt, ganz andere Eigenschaften als ihre Ausgangsmaterialien haben, eignen sie sich hervorragend beispielsweise für Leichtbauteile in Luft- und Raumfahrt. Die Forscher des Lehrstuhls für Metallische Werkstoffe konnten in jahrelanger Arbeit eine Legierung aus Titan und Schwefel erzeugen, die sehr leicht ist und gleichzeitig eine hohe Festigkeit besitzt. Für ihre Erfindung sind sie von der Kontaktstelle für Wissens- und Technologietransfer der Universität mit dem Erfinderpreis ausgezeichnet worden.
Amorphe Proben aus einer neuen Titan-Schwefel-Legierung. Im Hintergrund die Bestandteile der neuen Legierung: Nickel, Zirkonium, Schwefel, Kupfer, Titan (v. l. n. r.)
Universität des Saarlandes
Materialforschung ähnelt einem Puzzle aus tausenden Teilen: Wenn man nicht das richtige Teil findet, mit dem man anfangen kann, stochert man mehr im Dunkeln als dass man ein zusammenhängendes Bild hinbekommt. Auf der Suche nach diesem Puzzleteil waren auch Alexander Kuball, Benedikt Bochtler und Oliver Gross. Die Doktoranden am Lehrstuhl für Metallische Werkstoffe von Professor Ralf Busch haben nun in Zusammenarbeit mit dem Technologiekonzern Heraeus nach hunderten Versuchen und mehreren Jahren Forschung Legierungen entwickelt, die eine sehr hohe Festigkeit besitzen und gleichzeitig sehr leicht sind.
Gegenüber bisherigen Werkstoffen aus der Klasse der sogenannten amorphen Metalle haben die Legierungen mehrere entscheidende Vorteile: Die Verbindungen bestehen hauptsächlich aus Titan und Schwefel und damit aus Elementen, die sehr häufig auf der Erde vorkommen und industriell sehr gut nutzbar sind. Und anders als amorphe Metalle auf Basis von Zirkonium, Palladium oder Platin ist Titan verhältnismäßig günstig, ebenso wie der Schwefel, der darüber hinaus keine hochgiftige Wirkung hat wie die in solchen Legierungen bisher häufig verwendeten Elemente Beryllium oder Phosphor.
Dass Schwefel dabei das richtige Element ist, um das leichte Metall Titan so zu gestalten, dass es gleichzeitig eine hohe Festigkeit hat, ohne dabei spröde und brüchig zu werden, war dabei keine Selbstverständlichkeit. „Denn Schwefel hatte 20, 30 Jahre lang keiner auf der Rechnung, weil es in keinem Versuch zuvor funktioniert hat“, erläutert Oliver Gross. Und wenn es 30 Jahre lang nicht funktioniert hat, forscht keiner mehr mit Schwefel, um bessere Werkstoffe damit zu erhalten.
Die jungen Wissenschaftler hatten allerdings den richtigen Riecher und Schwefel dennoch als Beimischung verschiedener Metalle getestet. „Zuerst hatten wir dann mit Palladium, Nickel und Schwefel eine funktionierende Legierung gefunden, die gute Eigenschaften hatte“, erläutert Benedikt Bochtler. „Da sind wir dann drangeblieben und haben weiter mit dem leichten und günstigeren Titan experimentiert.“ Nach ungefähr 250 Experimenten, in denen Alexander Kuball, Benedikt Bochtler und Oliver Gross die Mischungsverhältnisse von Titan, Schwefel und weiterer Stoffe in feinsten Variationen miteinander kombinierten, fanden sie schließlich die richtige Abstimmung. Wie kompliziert die Suche nach dieser Abstimmung ist, verdeutlicht die Tatsache, dass schon ein Unterschied von einem Prozent mehr oder weniger eines Stoffes ausschlaggebend dafür sein kann, ob eine Legierung die gewünschten Eigenschaften aufweist oder nicht.
Die von ihnen entwickelten Legierungen sind etwa um das Doppelte fester als gängige Metalle auf Titanbasis derselben Dichte, also desselben Gewichts. Damit eignet es sich hervorragend zur Herstellung leichter, kleiner Bauteile, zum Beispiel für die Luft- und Raumfahrt, wo jedes Gramm eingespartes Gewicht zählt und natürlich auch die Stabilität und Festigkeit des Materials entscheidend ist.
Das Verfahren, nach dem sie dieses so genannte Metallische Glas hergestellt haben, ist essenziell für diese Eigenschaften. Denn die über 1100 Grad Celsius heiße Schmelze wird blitzartig abgekühlt, so dass keine klassische Legierung entsteht, deren Atome sich während des lang andauernden Abkühlens in einem regelmäßigen Kristallgitter anordnen. Dadurch, dass die Schmelze in weniger als einer Sekunde herabgekühlt wird, erstarrt sie in der ungeordneten Atomstruktur der Schmelze. Dieser strukturelle Zustand wird auch als Glas bezeichnet. Dieses Chaos im Aufbau verleiht dem Metallischen Glas Eigenschaften, die ganz anders sind als der herkömmlichen Legierung derselben Ausgangsstoffe. Diese Metallischen Gläser sind fest wie Stahl, aber gleichzeitig elastisch wie Kunststoff.
Für ihre Entdeckung wurden die drei jungen Erfinder mit dem Erfinderpreis der Kontaktstelle für Wissens- und Technologietransfer ausgezeichnet. Die neue Legierungsklasse, die Alexander Kuball, Benedikt Bochtler und Oliver Gross mit Unterstützung des Technologiekonzerns Heraeus mit Sitz in Hanau entdeckt haben, wurde in Zusammenarbeit mit der Patentverwertungsagentur der saarländischen Hochschulen zum Patent angemeldet. Das global agierende Familienunternehmen Heraeus hat sich für den größten Teil der neuen Legierungen die Verwertungsrechte gesichert, so dass die Chancen gut stehen, dass diese ihren Weg in die industrielle Nutzung finden werden.
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