Entwicklung vielkristalliner zweiphasiger CoNiAl- Formgedächtnislegierungen mit hoher funktioneller Stabilität

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Hans Jürgen Maier
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 457111160

Formgedächtnislegierungen (FGL) vom Typ CoNiAl zeichnen sich im einkristallinen Zustand durch hervorragende Formgedächtnis¬effekte (FGE) aus, zu denen der Einweg-FGE, der Zweiwege-(ZW)FGE und die Superelastizität (SE) zählen. Sie können zudem bei hohen Temperaturen eingesetzt werden und stellen eine vielversprechende Alternative zu anderen FGL dar. Da die industrielle Anwendung von Einkristallen nur selten wirtschaftlich ist, besteht der Bedarf nach funktionelle FGL auf Basis von Vielkristallen. Laut dem aktuellen Stand der Technik führt jedoch die reversible martensitische Umwandlung in CoNiAl-Vielkristallen aufgrund der Sprödigkeit des Werkstoffs, der kristallinen Anisotrope und der Orientierungsabhängigkeit der Umwandlungsdehnungen nach wenigen Zyklen zum Korngrenzenversagen.Das Forschungsvorhaben zielt darauf ab, das Problem des Korngrenzenversagens zu überwinden und so vielkristalline FGL auf Basis von zweiphasigen CoNiAl-Legierungen mit hoher funktioneller Stabilität zu erzeugen. Die Strategie hierzu umfasst ein gezieltes Aufwachsen einer vergleichsweise duktilen Zweitphase (γ-Phase) an den Korngrenzen und die Unterstützung einer reversiblen Umwandlung dieser Phase in ihre Tieftemperaturmodifikation (ε-Phase). Somit wird das Korngrenzenversagen durch die Aufnahme der Umwandlungsdehnungen in einer duktilen Phase verhindert. Da diese zudem gezielt so eingestellt werden soll, dass die Duktilität vorzugsweise durch eine martensitische Umwandlung (γ/ε) erreicht wird, wird einer mechanischen Ermüdung der Korngrenzenphase vorgebeugt. Das Aufwachsen der duktilen Phase an den Korngrenzen wird durch Methoden der gezielten Korngrenzeneinstellung (engl. Grain Boundary Engineering, GBE) erreicht und besteht aus einer Modifizierung der chemischen Zusammensetzung der CoNiAl-Basis und speziellen Wärmebehandlungen. Durch anschließende spannungsinduzierte Martensit-(SIM)-Alterung werden feinste, der Orientierung der Martensitnadeln folgende Ausscheidungen gebildet, die eine möglichst vollständige γ-ε-Umwandlung unterstützen, indem sie die ε-Phase stabilisieren. Zu Hauptaufgaben der SIM-Alterung gehört zudem auch die Stabilisierung des L10-Martensits in der Werkstoffmatrix analog zu bereits bekannten Mechanismen für einkristalline FGL. Hierdurch können die Umwandlungstemperaturen angepasst und im Idealfall ein ZWFGE ermöglicht werden.Im Rahmen der geplanten Arbeiten werden die Legierungen hergestellt und den obengenannten Maßnahmen unterzogen. Die funktionellen (FGE, ZWFGE und SE) und magnetischen Eigenschaften werden dabei eingehend charakterisiert. Im Anschluss werden die vielversprechendsten Werkstoffe auf ihre funktionelle Stabilität zyklisch geprüft. Durch licht- und elektronenmikroskopische Verfahren werden die Mechanismen der gesteuerten Ausbildung der γ-Phase, die γ-ε-Umwandlung und die Wechselwirkung zur Matrix tiefgreifend untersucht, um ein Verständnis der Phaseninteraktionen in den CoNiAl-FGL zu erlangen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen