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Titanlegierung

Besonderheit in Kristallstruktur entdeckt

| Redakteur: Rebecca Vogt

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Eisenforschung (MPIE) in Düsseldorf haben in einer Titanlegierung einen neuen Phasenübergang beobachtet. Dieser könnte erklären, warum es Metalle gibt, die sich wie ein Kaugummi verbiegen lassen.

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Blick auf eine Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme der verschiedenen Phasen, die in der untersuchten gummiartigen Titanlegierung vorherrschen.
Blick auf eine Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme der verschiedenen Phasen, die in der untersuchten gummiartigen Titanlegierung vorherrschen.
(Bild: Jian Zhang, Max-Planck-Institut für Eisenforschung)

Gummimetalle eröffnen Wege für neue industrielle Anwendungen – zum Beispiel im Bereich der Luftfahrt. Hier können sie als eine Art Crashabsorber verwendet werden. „Wenn eine Flugzeugturbine durch Hagel- oder Vogelschlag beschädigt wird, besteht die Gefahr, dass einzelne Bauteile zersplittern und in der Folge auch den Flugzeugrumpf beschädigen könnten. Wenn Teile der Schutzhülle einer Turbine beispielsweise aus einem Gummimetall bestehen würden, könnten sie umherfliegende Splitter abfangen, da sie durch die Belastung nicht zerstört werden, sondern sich nur verformen“, erklärt Dierk Raabe, Direktor am MPIE.

Der Mechanismus hinter dem kaugummiartigen Verhalten dieser Metalle war bislang ungeklärt. Um ihn zu entschlüsseln, untersuchten die Materialwissenschaftler des Max-Planck-Instituts mittels Röntgenlicht die innere Struktur einer speziellen Materialkombination aus Titan, Niob, Tantal und Zirconium. Unter mechanischen Belastungen zeige diese Titanlegierung ein interessantes Verhalten: „Bei Verformung wird sie nicht – wie sonst bei Metallen üblich – härter oder bricht, sondern verbiegt sich fast schon honigartig. Wissenschaftlich ausgedrückt hat sie eine sehr niedrige elastische Steifigkeit und eine hohe plastische Formbarkeit“, berichtet Raabe.

Besondere Nanostruktur der Gummimetalle

Anhand verschiedener Untersuchungsmethoden konnten die Forscher Besonderheiten in der Nanostruktur aufzeigen: Titanlegierungen kommen normalerweise in zwei verschiedenen Phasen vor. Bei Raumtemperatur sind die Atome meist in der sogenannten Alpha-Phase angeordnet, bei hohen Temperaturen in der Beta-Phase. Je nach Phase zeigen die Metalle unterschiedliche Eigenschaften. Die Gummimetalle bestehen vor allem aus der Beta-Phase, die in diesen Legierungen jedoch auch bei Raumtemperatur stabil ist.

Schematische Darstellung der Titanlegierung: Zu sehen ist die Kristallstruktur der verschiedenen Phasen während der Wärmebehandlung.
Schematische Darstellung der Titanlegierung: Zu sehen ist die Kristallstruktur der verschiedenen Phasen während der Wärmebehandlung.
(Bild: Jian Zhang, Max-Planck-Institut für Eisenforschung)

Im Teilchenbeschleuniger DESY konnten die Wissenschaftler mittels Röntgenstrahlung die Kristallstruktur der Legierung während des Übergangs genau untersuchen. Wenn die Beta-Phase von einer hohen Temperatur schnell abgekühlt wird, ändert ein Teil der Atome die Position und geht in die energetisch günstigere Alpha-Phase über. Durch die Bewegung der Atome entsteht eine mechanische Spannung an der Phasengrenze. Die verschiedenen Phasen zerren sozusagen aneinander.

Übersteigt diese Spannung einen kritischen Wert, entsteht eine neu entdeckte Anordnung: die Omega-Phase. „Die Struktur entsteht nur durch die Scherspannung, die beim Phasenübergang aufgebaut wird, und erleichtert die Umwandlung von Alpha- zu Beta-Phase. Sie kann nur zwischen zwei anderen Phasen bestehen, da sie durch diese stabilisiert wird“, erklärt Raabe.

Mikrostruktur aus vielen Schichten

Wenn die Spannung durch die neue Schicht wieder unter den kritischen Wert fällt, entsteht aufs Neue eine Schicht Alpha-Phase, an die sich dann wieder eine Omega-Phase anschließt. So entwickelt sich eine Mikrostruktur aus vielen, zum Teil atomar schmalen Schichten mit jeweils anderer Struktur. Der Übergang finde auch bei statischen Belastungen statt und sei vollständig umkehrbar. Die Forscher hoffen jetzt, dass die neu entdeckte Struktur dabei helfen kann, die Eigenschaften des Werkstoffs noch genauer zu verstehen und später neue, verbesserte Varianten der Titanlegierung zu entwickeln.

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