Rascherhitzte metastabile Legierungen mit neuartigen Gefügen und Oberflächentopographien

• Antragsteller: Dr.-Ing. Konrad Kosiba
• Fachliche Zuordnung: Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 401689894

Dieses Projekt hat sowohl eine grundlagenwissenschaftliche als auch technologische Ausrichtung. Mittels einer Rascherhitzung von massiven metallischen Gläsern (MGs) sollen neuartige metastabile Werkstoffe hergestellt werden, deren Oberflächen zudem gleichzeitig durch thermoplastisches Formen (TPF) beim Erhitzen funktionalisiert werden. Beim TPF wird die äußerst gute Verformbarkeit von glasbildenden Legierungen bei erhöhten Temperaturen ausgenutzt, um mikro-, nanoskalige und hierarchische Strukturen zu replizieren. Dadurch können Oberflächentopographien gezielt eingestellt werden, die z.B. superhydrophobes und/oder –philes Benetzungsverhalten zeigen. Die Zusammenhänge zwischen Benetzungsverhalten, Rauheit und Aspektverhältnis der Oberflächenstrukturen werden untersucht. Solche Oberflächen sind insbesondere für Werkstoffe mit einem Selbstreinigungseffekt oder als Implantate von Interesse.Während der Rascherhitzung werden massive MGs kristallisiert, um metastabile Werkstoffe mit neuartigen Gefügen herzustellen. Dabei wird die Phasenbildung abhängig von der Aufheizrate kontrolliert. Beim Rascherhitzen kristallisieren MGs bei großen Unterkühlungen, die mit hohen Keimbildungs- und geringeren Kristallwachstumsraten einhergehen. Somit können hochfeste und bestmöglich duktile Werkstoffe mit feinkörnigen bis hin zu nanokristallinen und bei geeigneter Prozessführung sogar bimodalen Gefügen erzeugt werden. Ihre mechanischen Eigenschaften sollen eingehend charakterisiert werden.Werkstoffe die aus der Rascherhitzung von MGs resultieren sowie die dabei auftretenden physikalischen Phänomene wurden bisher kaum erforscht und stellen daher ein neues Forschungsgebiet dar. Anhand zweier glasbildender Legierungen - Cu44Zr44Al8Hf2Co2 und Ti40Zr10Cu34Pd14Sn2 - die unterschiedliche Kristallisationsmechanismen zeigen, werden Phasenbildung und Kristallisationskinetik als Funktion der Aufheizrate untersucht. Die erste CuZr-basierte Legierung besitzt eine Hochtemperaturphase, die den Form-Gedächtnis-Effekt zeigt, und die daraus resultierenden Gefüge, die mittels Rascherhitzung von massiven MGs erzeugt werden könnten, sind von hohem Interesse. Zudem ist die Ti-basierte Legierung biokompatibel und könnte Anwendung als Werkstoff für Implantate finden. Ihre Biokompatibilität hängt vom Benetzungsverhalten der Oberfläche ab und könnte durch eine geeignete Oberflächenstrukturierung mittels des TPF erhöht werden.Dazu wird im Rahmen dieses Projekts eine thermoplastische Prägeeinheit entwickelt, die in eine bereits bestehende Rascherhitzungsanlage integriert wird.Das übergeordnete Ziel dieses Vorhabens ist die Herstellung von Werkstoffen mit verbesserten mechanischen und Oberflächeneigenschaften, die mit konventionellen metallischen Werkstoffen nicht erreicht werden, um so den Einsatzbereich metastabiler Legierungen zu erweitern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen