Titan-Niob-Legierungen machen sich bei Hitze Platz

29.11.2017 - Deutschland

Titanlegierungen sind Schlüsselmaterialien für die Luftfahrt und sind die am häufigsten eingesetzten Metalle für biomedizinische Implantate. Forscher des Leibniz-Instituts für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden berichten, dass Titan-Niob-Legierungen überraschend starke thermische Ausdehnung zeigen können. Außerdem wurde beobachtet, dass sich bei hohen Temperaturen neuartige Phasen bilden, die vielversprechende mechanische Eigenschaften aufweisen.

Unter thermischer Ausdehnung versteht man den Vorgang des Schrumpfens oder Dehnens eines Materials bei Veränderung der Umgebungstemperatur. Ein bekanntes Beispiel aus dem Alltag ist ein Flüssigkeitsthermometer, bei dem die Veränderung des Flüssigkeitsvolumens dazu genutzt wird, die Temperatur an einer Skala anzuzeigen. Festkörper verändern ebenfalls ihre Dimensionen als Funktion der Temperatur, typischerweise um 0-40 Millionstel pro Grad Celsius und in manchen Fällen richtungsabhängig.

Matthias Bönisch hat im Rahmen seiner Doktorarbeit am Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung die Kristallstruktur von Titan-Niob-Legierungen eingehend untersucht und festgestellt, dass diese Materialien besonders stark auf Temperaturveränderungen reagieren. In einem Temperaturbereich von 150°C dehnen sie sich um mehr als das Dreifache als bei Festkörpern üblich aus. Außerdem hat er herausgefunden, dass die thermische Ausdehnung in Titan-Niob Legierungen sehr stark richtungsabhängig ist, sodass entlang einer Richtung eine Schrumpfung stattfindet während entlang der beiden anderen Richtungen Dehnung passiert. Dieses Ausmaß der thermischen Ausdehnung ist stärker als in allen bisher untersuchten Metallen und Legierungen.

Diese Beobachtungen wurden mit Hilfe von Röntgenbeugung am Synchrotron ESRF in Grenoble, Frankreich, in Zusammenarbeit mit Dr. Ajit Panigrahi von der Universität Wien durchgeführt. Dazu wurden die Legierungen im Röntgenstrahl aufgeheizt und dabei die strukturellen Veränderungen der einzelnen Phasen in Abhängigkeit von der Temperatur mitverfolgt. Diese Messungen ermöglichten es, die Phasenzusammensetzung sowie die Gitterparameter der einzelnen Phasen zu bestimmen.

Die neuen Ergebnisse können helfen, neuartige Materialien mit maßgeschneiderter thermischer Ausdehnung zu entwickeln. Ein großer Vorteil, den diese Legierungen aufweisen, ist dass sich die Wärmeausdehnung durch Wahl des Verhältnisses von Titan-Atomen zu Niob-Atomen einfach anpassen lässt. Keramiken hingegen haben in dieser Hinsicht nur sehr geringen Spielraum. In Kombination mit den beobachteten neuartigen Phasen dürften sich neue Anwendungsgebiete für Titan-Niob-Legierungen in der Biomedizin und in der Luftfahrt erschließen. Die Forschungen sind Teil eines interdisziplinären Projekts innerhalb der Europäischen Trainingsnetzwerkes „BioTiNet“, das sich mit biokompatiblen Titanlegierungen für orthopädische Anwendungen beschäftigt und vom IFW Dresden koordiniert wird.

Originalveröffentlichung

Matthias Bönisch, Ajit Panigrahi, Mihai Stoica, Mariana Calin, Eike Ahrens, Michael Zehetbauer, Werner Skrotzki & Jürgen Eckert; "Giant thermal expansion and α-precipitation pathways in Ti-alloys"; Nature Comm.; 2017

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