Spannung lass nach: Materialien rissbeständig machen

Werkstoffe sollen in Industrie und Forschung eine ganze Reihe von Kriterien erfüllen. Zum Beispiel müssen sie für Anwendungen in der Schifffahrt besonders fest und korrosionsbeständig sein – damit Schiffe etwa 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. „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.

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 Hofmann. Dafür stellte sich Wolframkarbid allerdings als zu dicht heraus. „Es lässt praktisch keine Strahlung durch. Für uns waren Neutronen deshalb essenziell.“ 

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.“