Atomsondendaten zeigen, wo sich welche Atome innerhalb einer Nickelbasis-Superlegierung befinden.
J.J. Möller, S. Neumeier, A. Prakash, E. Bitzek
Werkstoffwissenschaftlern gelang es jetzt, Superlegierungen – als Werkstoff etwa für Turbinenschaufeln unverzichtbar – Atom für Atom im Computer nachzubauen.
Metallische Werkstoffe, die aus Nickel und Aluminium sowie verschiedenen weiteren Elementen wie Rhenium zusammengesetzt sind – sogenannte Superlegierungen – sind beispielsweise für die Herstellung von Turbinenschaufeln unverzichtbar. „Die treibende Kraft für die Entwicklungen der Nickel-Basis-Superlegierungen kommt aus dem Gasturbinenbau für Flugzeuge und Kraftwerke. Um die Wirkungsgrade dieser thermischen Maschinen zu erhöhen, müssen die Verbrennungs- und Materialtemperaturen angehoben werden“, konstatieren etwa die Autoren des „Handbuch Hochtemperatur-Werkstofftechnik“ (Seite 347).
Werkstoffwissenschaftler arbeiten daher permanent daran, diese Superlegierungen weiter zu verbessern. Forschern der Universität Erlangen-Nürnberg Erik Bitzek ist es jetzt erstmals gelungen, die atomare Struktur einer Nickelbasis-Superlegierung so exakt im Computer nachzubauen, dass Simulationen tatsächlich die Verformungsprozesse in der realen Materialstruktur wiedergeben und erklären können. Bislang konnten Forscher immer nur mit idealisierten Strukturen im Computer arbeiten. Die Erlanger Wissenschaftler können nun detailgetreu simulieren, wie sich linienhafte Kristalldefekte (Versetzungen) in der Nickelbasis-Superlegierung bewegen, wenn Kräfte auf die Turbinenschaufel einwirken, und so für die Verformung des Materials sorgen.
Um dieses Ziel zu erreichen, haben Bitzek und sein Team zunächst Daten genutzt, die ihre Kollegen vom Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE) in Düsseldorf mit einer Atomsondenmessung ermittelt hatten: Diese liefert 3D-Informationen über den atomaren Aufbau der Legierung, kann aber lediglich nur rund zwei Drittel der vorhandenen Atome lokalisieren. Mit einer neu am Lehrstuhl entwickelten Software namens nanoSCULPT konnten Bitzek und sein Team atomare Modelle erzeugen, die nicht nur die exakte Beschaffenheit der so genannten Ausscheidungen – Teilchen mit anderer Kristallstruktur und Zusammensetzung, die in den Kristall eingebettet sind – wiedergeben, sondern auch, wie die Nickel- und Aluminiumatome innerhalb der Legierung verteilt sind.
Vom Atom zur Turbinenschaufel
So gelang es den Werkstoffwissenschaftlern, die im Experiment um die Ausscheidungen herum entstehenden Netzwerke von Versetzungen richtig abzubilden und die speziellen Versetzungsstrukturen, die zuvor ihre Forscherkollegen um Erdmann Spiecker in Nürnberg-Erlangen im hochauflösenden Transmissionselektronenmikroskop beobachtet hatten, wirklichkeitsgetreu zu reproduzieren. In einem nächsten Schritt simulierten sie dann auf den Höchstleistungsrechnern der Universität Zugversuche an diesen aus über 14 Millionen Atomen bestehenden Mikrostrukturen. Dabei zeigte sich erstmals detailliert auf atomarer Skala, wie die Ausscheidungen und das sie umgebende Versetzungsnetzwerk die Bewegung von Versetzungen behindern und so die Festigkeit des Materials erhöhen.
Diese Erkenntnisse, in der Zeitschrift Acta Materialia publiziert und in einem Video anschaulich dargestellt, können nun verwendet werden, um Superlegierungen weiterzuentwickeln, damit sie noch höheren Temperaturen standhalten können. Insgesamt neun Arbeitsgruppen der Erlanger Werkstoffwissenschaftler arbeiten an diesem Ziel gemeinsam mit der Ruhr-Universität Bochum und weiteren Forschungseinrichtungen innerhalb des Sonderforschungsbereichs Transregio 103 „Vom Atom zur Turbinenschaufel“, der von der Deutschen Forschungsgemeinschaft für weitere vier Jahre mit 15 Millionen Euro gefördert wird.