A1 - HSMetComp

Feine Körnung, fester Werkstoff  

Ultrafeinkörnige bis amorphe metallische Werkstoffe

Innovative Werkstoffe für den Leichtbau sollten besonders leicht, möglichst fest und trotzdem gut formbar sein. Die Wissenschaftler des ECEMP-Teilprojektes „HSMetComp – High Strength Metallic Composites“ entwickeln hochfeste, ultrafeinkörnige

• Metalldrähte,
• Metallbleche,
• Metallkomposite.

Dabei machen sie sich den Umstand zunutze, dass eine feinere Körnung eines Werkstoffes in der Regel auch eine höhere Festigkeit des Materials zur Folge hat. Durch mehrmaliges starkes Umformen von Blechen, Bändern und Drähten entstehen hochfeste Werkstoffe mit gleichzeitig guter Duktilität und Zähigkeit.

Hochfeste Metalldrähte

Für die Herstellung von Drähten mit einer Korngröße von 100 bis 200 Nanometern, gehen die Wissenschaftler von Titan/Aluminium-Kompositstäben aus. Durch starke Umformung der Stäbe entstehen Drähte, die bereits eine feinere Körnung als ihr Ausgangsgefüge haben. Die so entstandenen Drähte lassen sich teilen und in einem Hüllrohr bündeln. Formt man diese Multifilamentverbunde erneut um, führt das zu einem noch feineren Gefüge. Durch mehrmaliges Wiederholen des Vorgangs (accumulative swaging and bundling, ASB) entstehen Multifilamentdrähte mit einer sehr hohen spezifischen Festigkeit bei immer noch guter Verformbarkeit und Zähigkeit. Die Festigkeit der so hergestellten Titan/Aluminium-Drähte ist mit der von reinem Titan beziehungsweise konventionellen Titanlegierungen vergleichbar. Durch ihren entsprechend hohen Aluminiumanteil von fast 40 Prozent sind die Drähte aber deutlich leichter. Dieses von den Wissenschaftlern eigens entwickelte spezielle Verfahren, ermöglicht bei hohen Umformgraden eine besonders homogene Umformung.

Ultrafeinkörnige Metallbleche

Ebenfalls durch verbundumformung stellen die Wissenschaftler ultrafeinkörnige Titan/Aluminium Kompositbleche her. Durch sogenanntes kumulatives Walzen (accumulative roll bonding, ARB) wird bei jedem Walzschritt die Dicke der Bleche , und damit auch die darin enthaltenen Laminate, auf die Hälfte verringert. Anschließend werden die Bleche geteilt, aufeinander gestapelt und nochmals gewalzt. Auch diesen Vorgang wiederholen die Forscher, bis die Bleche durch die starke plastische Umformung die gewünschte Körnung haben und damit eine entsprechend hohe Festigkeit erreicht wurde.

Amorphe Metallkomposite

Nicht nur Umformtechniken führen zu ultrafeinkörnigen Gefügen. Die Herstellung sehr feinkörniger Metallkomposite ist auch direkt aus einer Metallschmelze möglich. So erhalten die Forscher durch spezielle Abkühlprozesse nanokristalline bis amorphe Titanbasislegierungen. Die amorphen Materialien weisen praktisch keine geordnete Kristallstruktur mehr auf. Stellen die Forscher nanokristalline Materialien her, bestehen diese aus noch feineren Körnern als man sie durch Umformung erreichen kann.

In der Praxis

Für die Anwendung dieser besonders leichten und festen Strukturen ergeben sich mehrere Vorteile. Allein durch die höhere Festigkeit der Werkstoffe können deutlich leichtere Strukturbauteile hergestellt werden. Denn die für ein Bauteil verwendeten Drähte und Bleche können dünner und die Bauteile deshalb kleiner ausfallen. Bereits dieser Fakt trägt zur Ressourcenschonung und Energieeinsparung bei. Werden dann noch leichtere Werkstoffverbunde eingesetzt, ist der Gewinn für den Umweltschutz entsprechend größer. Darüber hinaus eignen sich derartige Werkstoffe durch die sehr feine Körnung besonders gut zur Herstellung miniaturisierter Bauteile.