Werkstoffe
in Medizin(technik), Energietechnik und Fertigung
Lehrstuhl Hochtemperaturwerkstoffe
Werkstoffdesign
Der Lehrstuhl Hochtemperaturwerkstoffe befasst sich mit der Entwicklung neuer Hochleistungswerkstoffe, z.B. für den Energiesektor, potentielle Anwendungen in der Luft- und Raumfahrttechnik sowie in der Medizintechnik. Im Mittelpunkt der Forschungsaktivitäten stehen metallische und intermetallische Werkstoffe für Anwendungen in einem breiten Temperaturspektrum von Raumtemperatur bis 1500°C. Hierzu werden neuen Legierungskonzepte auf Basis von thermodynamischen und voraussetzungsfreien Rechnungen mit der Entwicklung von Phasendiagrammen verknüpft, welche mit Experimenten zu Erstarrungsreaktionen, Phasenumwandlungen und entsprechenden Wärmebehandlungsverfahren kombiniert werden. Dabei kommen unterschiedliche Schmelzmethoden aber auch die Pulvermetallurgie sowie additive Fertigungsverfahren inkl. geeigneter Wärmebehandlungsverfahren zum Einsatz, um das Werkstoffgefüge für den jeweiligen Anwendungsbereich optimal einstellen zu können.
Neben neuartigen Hochtemperaturwerkstoffen werden neue Werkstoffe auf Basis von Refraktärmetallen entwickelt und deren biologische Kompatibilität mittels Zell- und Bakterienbesiedlungen erforscht. Dies geschieht in enger Kooperation mit der Experimentellen Orthopädie des Universitätsklinikums sowie der Core Facility Tissue Engineering mit dem Ziel, neue Werkstoffe für die Endoprothetik oder Bioreaktoranwendungen zu entwickeln.
Bild 1 : Legierungsdesign an Hand einer Elementauswahl und thermodynamischer Größen sowie die Überführung in Phasendiagramme
Mechanische Werkstoffprüfung
Das Designkonzept für Werkstoffe beruht auf dem Verständnis von Mikrostruktur-Eigenschafts-Zusammenhängen. Verschiedene Herstellungsverfahren (schmelz- oder pulvermetallurgisch) resultieren in unterschiedlichen Werkstoffgefügen und damit einer breiten Variation an mechanischen Eigenschaften. Diese Eigenschaften werden in einem Temperaturbereich von Raumtemperatur bis zu 1500°C unter Anwendung verschiedener Belastungsarten erforscht. Dabei stehen Anlagen für den klassischen Zugversuch, aber auch für Druck- und Biegebeanspruchung zur Verfügung. Im Hochtemperaturbereich wird ein spezielles Augenmerk auf die zeitabhängige plastische Verformung gelegt, also die Kriechbeständigkeit neuartiger intermetallischer Werkstoffe. Neben den statischen und quasi-statischen Prüfmethoden ist auch die dynamische Werkstoffprüfung mittels LCF- und Resonanzprüfung möglich.
Bild 2: Hochtemperaturprüfung in einem Breiten Temperaturbereich von Zug- Druck- und Biegeproben
Oxidationsprüfung
Bei der Anwendung von Hochtemperaturwerkstoffen ist neben der mechanischen Festigkeit auch die thermische Stabilität entscheidend für eine lange Lebensdauer der Bauteile. In Abhängigkeit von der Atmosphäre (zumeist Luft) sind Hochtemperaturwerkstoffe häufig oxidativen und korrosiven Umgebungen ausgesetzt. Der spezielle Fokus liegt hierbei auf der Hochtemperaturoxidation neuartiger refraktärer und intermetallischer Werkstoffe. Dazu wird das Legierungsdesign so angepasst, dass eine möglichst geringe Masse- und Volumenveränderung durch die Bildung von Oxidationsprodukten bei gleichzeitig guten mechanischen Eigenschaften erzielt werden kann. Bei einigen Werkstoffen müssen zudem geeignete Oxidationsschutzschichten entwickelt werden, um die Werkstoffe dauerhaft gegen Oxidation zu schützen. Umfangreiche Ofentechnik steht zur Ermittlung des stationären und zyklischen Oxidationsverhaltens bei Temperaturen > 1000°C zur Verfügung.
Bild 3: Ermittlung der Oxidationsmechanismen von Hochtemperaturwerkstoffen
