Aktuelles & Projekte

Energiewende, Rohstoffknappheit, Globalisierung ��� unsere Gesellschaft, unsere regionale Industrie und die globale Wirtschaft stehen vor ganz neuen Herausforderungen. Um diesen modernen Anspr��chen an Mobilit��t, Urbanisierung oder Digitalisierung gerecht zu werden, sind innovative Technologien gefragt. Sie m��ssen den technischen Fortschritt gew��hrleisten, gleichzeitig aber auch Gesundheit und Lebensqualit��t der Menschen erhalten und dazu einen nachhaltigen Umgang mit Ressourcen sicherstellen.

Herk��mmliche Materialien als Grundlage neuer Technologien sto��en schnell an die Grenzen ihrer Einsatzm��glichkeiten: Flugzeuge m��ssen lange Distanzen bei extremen Temperaturen ��berwinden k��nnen, neue Computer- und Regelungstechniken verlangen neue Materialien mit speziellen Eigenschaften, die Anforderungen der Autoindustrie fokussieren immer st��rker auf Sicherheit. Die Entwicklung innovativer, leistungsf��higer metallischer und intermetallischer Werkstoffe steht im Mittelpunkt der Forschergruppen ���Metallische Werkstoffe��� und ���Spezielle Metallische Werkstoffe��� des Instituts f��r Werkstoff- und F��getechnik an der Fakult��t f��r Maschinenbau. So liegt das Augenmerk der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auf metallischen Hochtemperaturwerkstoffen, wie sie beim Bau von Turbinen f��r Kraftwerke oder in Flugzeugtriebwerken eingesetzt werden, sowie St��hlen und Leichtbauwerkstoffen f��r den Karosseriebau oder Haushaltswaren.

Hohe Temperatur, hohe Wirkung

Zu Zeiten von Dampfmaschinen ��berstiegen die Arbeitstemperaturen die 500 ��C nicht wesentlich. In modernen Turbinen werden heute Temperaturen von 1.400 ��C und mehr erreicht. Hier und auch beim Hochofenbau, in der Verfahrenstechnik oder im Aggregatebau kommen Hochtemperaturwerkstoffe zum Einsatz. Diese hat Juniorprofessorin Manja Kr��ger in den Fokus ihrer Forschungsarbeit ger��ckt. Derzeit sind Nickelbasis-Superlegierungen, die Temperaturen bis zu 1.100 ��C aushalten, im Einsatz. In Turbinen ��� ob in Flugzeugen oder Gasturbinen zur Stromerzeugung ��� gilt: Je h��her die Verbrennungstemperatur, desto h��her der Wirkungsgrad. ���Die thermodynamischen Stellgr����en ��� Druck und Temperatur ��� sind verh��ltnism����ig leicht zu variieren���, schildert Manja Kr��ger. ���Schwieriger wird es da schon bei den Werkstoffen f��r die Brennkammer, in der die Verbrennungsprozesse ablaufen. Sie d��rfen nicht unter der hohen Verbrennungstemperatur leiden. Hier liegt die gro��e Herausforderung f��r die Werkstoffwissenschaft: Die neuen komplexen Hochtemperaturwerkstoffe m��ssen also so designt werden, dass sie h��here Temperaturen, und dabei sprechen wir von bis 1.200 ��C, ertragen k��nnen, ohne dass sie Schaden nehmen.���

Ohne Materialforschung ist Fortschritt nicht m��glich: vom Werkstoff zur Innovation

Das extrem hei��e Gas trifft auf die Turbinenschaufel, die durch den Gasdruck mit sehr hohen Geschwindigkeiten rotiert und durch besonders hohe Zentrifugalkr��fte belastet wird. Eine Turbinenschaufel m��sse also bei extremen Temperaturen und enormen Krafteinwirkungen immer noch eine hohe Festigkeit aufweisen, und das ��ber eine m��glichst lange Nutzungsdauer. Aber wie entsteht ein neuer Werkstoff? ���Da geht es ein bisschen zu wie in der Hexenk��che���, sagt Juniorprofessorin Dr.-Ing. Manja Kr��ger mit einem Augenzwinkern. ���Nein, im Ernst. Wir sondieren im ersten Schritt, welche Elemente des Periodensystems bei hohen Temperaturen schmelzen. Da sind beispielsweise Molybd��n, das eine Schmelztemperatur von etwa 2.600 ��C erreicht, oder Wolfram, dessen Schmelztemperatur bei etwa 3.400 ��C liegt. Diese Elemente allein sind allerdings nicht f��r den Bau von Turbinenschaufeln nutzbar, da sie viel zu weich sind und sich unter mechanischer Belastung verformen. Im n��chsten Schritt ��berlegen wir, welche Elemente hochfeste Verbindungen eingehen���, erl��utert die Ingenieurin weiter. ���Mit der Zugabe weiterer Elemente ��� Silizium, Bor, Chrom u. a. ��� ver��ndern wir die Kristallstruktur. Einfach gesagt: Je komplexer die Kristallstruktur wird, desto fester wird der Werkstoff. Wir suchen nun den optimalen Partner f��r unseren Basiswerkstoff, der m��glichst komplizierte Kristallstrukturen erzeugt. Typischerweise sind das Verbindungen aus mindestens zwei Metallen, die sogenannten intermetallischen Phasen. Sie sind extrem fest, hochschmelzend und meist auch korrosions- und oxidationsbest��ndig sowie sehr komplex in ihren Kristallstrukturen.���

Diese Kristallstrukturen besch��ftigen auch Professor Thorsten Halle. Er untersucht St��hle, Leichtbauwerkstoffe und andere Metalle: ���Durch gezielte Ver��nderung der inneren Struktur k��nnen wir Werkstoffe mit ma��geschneiderten Eigenschaften erzeugen. Betrachten wir die Mikrostruktur beispielsweise von St��hlen, so sind es Polykristalle, die zusammengesetzt sind aus vielen kleinen K��rnern. Deren Gr����e, Aufbau, Grenzfl��chen und Anordnung bestimmen die makroskopischen Eigenschaften der Werkstoffe. Je kleiner die Korngr����e, desto h��her ist die Festigkeit, dies wiederum beeinflusst die Verformbarkeit.��� Nun versuchen die Magdeburger Forscher, z. B. die Gr����e der Kristallite durch verschiedene Fertigungsverfahren wie Kaltwalzen, Schmelzen oder W��rmebehandlung zu variieren. Wie ein ver��ndertes Temperatur-Zeit-Regime bei der W��rmebehandlung die Korrosionseigenschaften von K��chenmessern verbessert, ist da ein ganz praktisches Beispiel. Jede Hausfrau w��rde nur allzu gern die ���guten��� Messer in die Sp��lmaschine tun, doch allzu schnell stellt sich dann bei den teuren K��chenhelfern Lochkorrosion ein. Ein Problem, das die Industrie sehr besch��ftigt und dem am Lehrstuhl Metallische Werkstoffe nachgegangen wird.

Dabei kann die notwendige chemische Zusammensetzung der Stahlwerkstoffe im Computer modelliert werden. Stahl ist eine Legierung, die neben dem Hauptbestandteil Eisen nicht mehr als 2,06 Prozent Kohlenstoff und weitere Legierungselemente enth��lt. Die Modifikation der Legierungselemente kann die verschiedensten Eigenschaften beeinflussen: Der Anteil von Chrom wirkt sich auf die Korrosionsbest��ndigkeit aus. Der Zusatz von Nickel ver��ndert die Z��higkeit, w��hrend das Zuf��gen von Molybd��n die W��rmefestigkeit erh��ht. ���In welchem Anteil die Legierungselemente dem Stahl zugef��gt werden und in welchem Ma��e sich dadurch die Eigenschaften des Werkstoffs ��ndern, simulieren wir am Rechner, ebenso wie die Bildung der Mikrostruktur���, erl��utert Professor Halle.

Fingerspitzengef��hl bei der Kombination

Auch das Team um Juniorprofessorin Kr��ger simuliert auf Basis der Zusammensetzung der neuen Hochtemperaturwerkstoffe bestimmte Eigenschaften abh��ngig von der sp��teren Verwendung. Die hochfesten Komponenten, also die intermetallischen Phasen, werden mit den hochschmelzenden Metallen wie Molybd��n oder Wolfram kombiniert, so dass Verst��rkungsstrukturen entstehen. Die festen Phasen k��nnen dann als Partikel oder Fasern in eine Matrix eingebaut werden. Das verlange Fingerspitzengef��hl, so Manja Kr��ger. ���Das ist nicht trivial, denn die intermetallischen Phasen stellen wir selbst her.��� F��r die Hochzeit der intermetallischen Phasen mit den hochschmelzenden Metallen gibt es zwei Verfahrensweisen, welche die Magdeburger Forscherin nutzt: den Schmelzprozess und den pulvermetallurgischen Prozess. Der Schmelzprozess erm��glicht eine gerichtete Erstarrung, die es erlaubt, die Fasern ���in situ���, also im Prozess des Schmelzens, in einer bestimmten Richtung mit der Matrix zu verbinden. Die Wissenschaftler k��nnen das Volumen und den Anteil der faserartigen Mikrostruktur sowie deren Orientierung ganz genau steuern und dar��ber die Eigenschaften des hochreinen Werkstoffs festlegen. Bei Schmelztemperaturen um die 2.000 ��C kein leichtes Unterfangen. Diese gerichtet erstarrten Werkstoffe eignen sich besonders gut f��r eine einachsige Zugbeanspruchung, wie sie z. B. bei Schaufeln in Gasturbinen auftreten, sind jedoch durch einen hohen Energieeinsatz sehr kostenintensiv in der Herstellung.