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08.01.2018 | Materialentwicklung | Im Fokus | Onlineartikel

Hoch-Entropie-Legierungen lassen sich schneller testen

Autor:
Dieter Beste

Ob eine komplexe Legierung aus vielen verschiedenen Elementen unter Temperatur- oder Oxidationsbelastungen stabil bleibt, können Materialwissenschaftler jetzt mit einem neuen Verfahren innerhalb weniger Tage herausfinden. 

Rostfreie Stähle, Schnellarbeitsstähle oder Superlegierungen – im letzten Jahrhundert gelang es Werkstoffentwicklern immer wieder aufs Neue, Legierungen von Metallen in ihren Eigenschaftsprofilen für neue Anforderungen fit zu machen. Als Jien-Wei Yeh und Brian Cantor 2004 unabhängig voneinander die Machbarkeit von Hoch-Entropie-Legierungen und gleichatomigen Mehrkomponentenlegierungen bekanntgaben, öffnete sich quasi über Nacht ein völlig neues Forschungs- und Entwicklungsfenster. "Dieser Durchbruch hat die Erforschung dieser neuen Materialien in der ganzen Welt in den letzten zehn Jahren beschleunigt", konstatiert Jien-Wie Yeh in "High-Entropy Alloys" (Seite 1). 

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2016 | Buch

High-Entropy Alloys

Fundamentals and Applications

This book provides a systematic and comprehensive description of high-entropy alloys (HEAs). The authors summarize key properties of HEAs from the perspective of both fundamental understanding and applications, which are supported by in-depth …


Im Unterschied zu herkömmlichen Legierungen bestehen Hoch-Entropie-Legierungen nicht aus einem Hauptelement und wenigen weiteren Elementen in geringer Konzentration, sondern aus einer gleichwertigen Mischung mehrerer Elemente. "Diese Legierungen stellen einen neuen Suchraum für Werkstoffe dar. Es gibt fast unendlich viele mögliche Materialkombinationen und daher gute Chancen, Werkstoffe zu entdecken, die bisherige Materialien in bestimmten Eigenschaften übertreffen könnten", sagt Alfred Ludwig von der Ruhr-Universität Bochum.     

Der Clou: Die Kombination der Verfahren

Ob sich eine neue Legierung auch als Werkstoff eignet, können die Materialwissenschaftler um Alfred Ludwig und Yujiao Li vom Bochumer Institut für Werkstoffe und vom Zentrum für Grenzflächendominierte Höchstleistungswerkstoffe jetzt innerhalb weniger Tage ermitteln. Sie entwickelten dazu ein neues Verfahren, mit dem sich komplexe Legierungen, die aus vielen verschiedenen Elementen bestehen, zum Beispiel auf Temperatur- und Oxidationsbeständigkeit untersuchen lassen. Solche Analysen haben nach Angaben der Wissenschaftler bislang Monate in Anspruch genommen. Um nun diese Tests möglichst schnell durchführen zu können, kombinierte die Bochumer Gruppe mehrere Verfahren, wie die Wissenschaftler in der Zeitschrift "Materials Horizons" berichten. Zunächst trugen sie die komplexe Legierung als wenige Nanometer dünne Schicht auf 36 mikroskopisch kleine Spitzen auf. Dazu nutzten sie ein Sputterverfahren, mit dem sie fünf Metalle gleichzeitig in einem speziellen Mischungsverhältnis auf den Spitzen abschieden. In den so aufgetragenen Schichten können dann Reaktionen zwischen den Metallen sehr schnell ablaufen. Die Autoren bezeichnen ihr System als kombinatorische Prozessierungsplattform.

Millionen von Atomen werden sichtbar

Anschließend unterzogen die Forscher die einzelnen Spitzen nacheinander unterschiedlichen Belastungen und charakterisierten nach jeder Belastung mit der Atomsondentomografie die Zusammensetzung der Schicht. Diese Technik erlaubt, viele Millionen Atome und deren dreidimensionale Anordnung sichtbar zu machen und zwischen verschiedenen Elementen zu unterscheiden. Die Analyse mit der Atomsonde zerstört die Probe an der untersuchten Stelle; mit jeder Messung verbraucht sich also mindestens eine beschichtete Spitze auf der Platte. Da aber insgesamt 36 identische Spitzen zur Verfügung standen, konnte das Team viele Tests hintereinander absolvieren.

Bestimmung der Eigenschaften

So erhitzten sie die Probe zum Beispiel im ersten Schritt auf eine bestimmte Temperatur, testeten dann mit der Atomsonde die dadurch ausgelösten Effekte in der Legierung, erhitzten anschließend auf eine höhere Temperatur, testeten wieder die Legierung und so weiter. "Auf diese Weise können wir zum Beispiel sehr schnell sagen, dass die untersuchte Legierung ab 300 Grad Celsius in mehrere unterschiedliche Phasen zerfällt", sagt Ludwig. "Wir könnten so aber auch die Oxidationsanfälligkeit oder die Reaktion in verschiedenen Umgebungsmedien überprüfen." Aus den umfangreichen Messdaten und neuen Visualisierungsansätzen für diese Daten lasse sich ein Verständnis der Phasenevolution in komplexen Legierungen schneller gewinnen als bislang möglich.

Weiterführende Themen

Die Hintergründe zu diesem Inhalt

2016 | OriginalPaper | Buchkapitel

Overview of High-Entropy Alloys

Quelle:
High-Entropy Alloys

2016 | OriginalPaper | Buchkapitel

Design of High-Entropy Alloys

Quelle:
High-Entropy Alloys

07.11.2017 | Communication | Ausgabe 1/2018

High Entropy Alloys: Criteria for Stable Structure

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