Forschungsbericht 2017 - Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH

Nanostrukturierte Materialien für die Energiewende: Auf dem Weg zum atomaren Design neuer metallischer Legierungen

Autoren
Raabe, Dierk
Abteilungen
Mikrostrukturphysik und Legierungsdesign
Zusammenfassung
Metallische Materialien bilden das Rückgrat heutiger Industriegesellschaften, die ihre Wettbewerbsfähigkeit auf der Bereitstellung effizienter Verfahren zur Energieumwandlung, sicherer und gewichtsreduzierter Mobilität sowie Fertigung komplexer High-Tech Produkte und Industrieverfahren gründen. Neue maßgeschneiderte Materialien werden mithilfe von Computerberechnungen entwickelt und Materialeigenschaften begleitend mit der Atomsonde untersucht. Mit diesem Ansatz werden neue Hochleistungsmaterialien auf der Basis der atomaren Bausteine der Materie entworfen.

Die Bedeutung und Zukunft metallischer Werkstoffe

Neue industrielle Produkte und Verfahren basieren oft auf der Verwendung von modernen Werkstoffen. Mehr als zwei Drittel aller Innovationen werden durch neue Materialien erst ermöglicht. Insbesondere metallische Werkstoffe, sogenannte Legierungen, sind für moderne Industrieprodukte und Fertigungsverfahren in den Bereichen Energie, Mobilität, Gesundheit, Sicherheit und industrielle Infrastruktur unverzichtbar.

Beispiele hierfür sind medizinische Implantate aus Magnesium, die sich im Körper definiert auflösen, komplexe Hochleistungswerkstoffe für hocheffiziente Flugzeugturbinen, nanostrukturierte Silber-Tellur-Thermoelektrika, die Strom aus Temperaturunterschieden gewinnen, weichmagnetische Eisen-Silizium-Kupfer-Werkstoffe für Motoren von Elektrofahrzeugen, umweltverträgliche metallische Korrosionsschutzschichten oder höchstfeste Stähle und Magnesiumlegierungen für gewichtsreduzierten Automobilbau.

Die Erforschung, Herstellung, Weiterverarbeitung und Verwendung metallischer Legierungen umfasst nahezu die Hälfte der in der EU erwirtschafteten Industrieleistung, mit einem finanziellen Umfang von etwa 3,5 Milliarden Euro pro Tag. Damit repräsentiert sie einen der weltweit wichtigsten Wirtschaftszweige. Allein die unmittelbar metallerzeugenden Betriebe in Deutschland stehen bereits für einen Jahresumsatz von etwa 100 Milliarden Euro und etwa vier Millionen Arbeitnehmer.

Die Grundlagenforschung an metallischen Legierungen wurde in den vergangenen Jahren durch das Verständnis auf atomarer Ebene revolutioniert. Schlüsselfunktionen sind dabei einerseits die Weiterentwicklung und Anwendung von Computerberechnungen sowie andererseits deren entsprechende experimentelle Überprüfung. Hiermit lassen sich neue metallische Werkstoffe wissensbasiert und auf atomaren Prinzipien aufbauend erfinden und die den Eigenschaften zugrunde liegenden Mechanismen direkt beobachten.

Bei dieser beherrschenden Marktposition der Metalle in Produktion und Innovation, verbunden mit ihrer nahezu vollständigen Wiederverwertbarkeit durch Einschmelzen, ergibt sich die Frage, ob die bedeutendsten Entdeckungen auf diesem Gebiet nicht bereits hinter uns liegen. Genau das Gegenteil ist der Fall: Nur ein winziger Bruchteil von wenigen Tausend metallischen Legierungen aus dem riesigen Universum möglicher Verbindungen findet heutzutage bereits Verwendung. Wählt man aus dem Periodensystem nur die 70 wichtigsten Legierungselemente aus und nimmt Abstufungen in der Zusammensetzung von 1/1000 an, dann ergeben sich für ein Material aus zwei Elementen bereits 1000 Legierungen, für ein Material aus drei Elementen 1000 mal 1000 Verbindungen und für die besagten 70 Elemente 100069 mögliche Werkstoffe. Dies bedeutet, dass wir heute nur etwa 10-67 Prozent, also nahe Null Prozent der möglicherweise relevanten Materialien überhaupt kennen und somit erst am Anfang der Entdeckung weiterer nützlicher Werkstoffe stehen. Neue Werkstoffe und Durchbrüche in der Materialentwicklung sind in diesem Raum unzählbar möglicher Kombinationen von zwei oder mehr Elementen nur mithilfe neuartiger Computerberechnungen möglich. Anhand dieser Simulationen von Materialeigenschaften lassen sich schnell und preiswert neue vielversprechende Materialien auf atomistisch-geleiteten Schatzkarten identifizieren und dann in der Praxis testen.

Hoch-Entropie-Legierungen: Materialien die aus dem Chaos kommen

Aus der oben angesprochenen gigantischen Vielzahl möglicher Kombinationen von Elementen zur Darstellung neuer Materialien wurde das Konzept der sogenannten Hoch-Entropie-Legierungen entwickelt. Die bisher bekannten Prinzipien der Entwicklung metallischer Werkstoffe werden dadurch gänzlich geändert. Statt der bisher üblichen Verwendung eines Hauptlegierungsbestanteils (wie beispielsweise in Stahl) werden bei den Hoch-Entropie-Legierungen Elemente in ähnlichen Anteilen zusammengemischt. Dadurch ordnen sich die Atome anders an als in bisher bekannten Materialien. Dies führt zu ganz neuen Eigenschaften. Damit ist in den letzten Jahren der Einstieg in bisher gänzlich unerforschte Materialklassen gelungen und hat bereits nach kurzer Zeit zu einer Reihe von Durchbrüchen beispielsweise im Bereich hochfester und gleichzeitig duktiler, das heißt unter Belastung plastisch verformbarer Werkstoffe geführt (siehe Abb. 1, [1]).

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Original 1508158409

Abb. 1: Struktur und mechanische Eigenschaften einer am Max-Planck-Institut entwickelten Hoch-Entropie-Legierung die auf den Elementen Eisen, Mangan, Kobalt und Chrom beruht. Hier wurde von dem etablierten Verfahren abgewichen, Legierungen mit nur einem chemischen Hauptbestanteil zu entwickeln, sondern es wurden mehrere Elemente quasi gleichberechtigt in höheren Konzentrationen zusammengemischt. Die rot eingefärbten Bestandteile entsprechen dabei Zonen mit einer kubisch-flächenzentrierten Kristallstruktur  (FFC) und die blau eingefärbten einer Region mit hexagonalen (HCP) Gitterstruktur. Der schrittweise Übergang zwischen diesen beiden Phasen im Verlauf der Verformung ermöglicht eine gleichzeitige Erhöhung von Festigkeit und Umformbarkeit [1].; GS: Mittlere Kristallgröße der Materialien; ε: plastische Dehnung; TD: Richtung der mechanischen Last.

 

Abb. 1: Struktur und mechanische Eigenschaften einer am Max-Planck-Institut entwickelten Hoch-Entropie-Legierung die auf den Elementen Eisen, Mangan, Kobalt und Chrom beruht. Hier wurde von dem etablierten Verfahren abgewichen, Legierungen mit nur einem chemischen Hauptbestanteil zu entwickeln, sondern es wurden mehrere Elemente quasi gleichberechtigt in höheren Konzentrationen zusammengemischt. Die rot eingefärbten Bestandteile entsprechen dabei Zonen mit einer kubisch-flächenzentrierten Kristallstruktur  (FFC) und die blau eingefärbten einer Region mit hexagonalen (HCP) Gitterstruktur. Der schrittweise Übergang zwischen diesen beiden Phasen im Verlauf der Verformung ermöglicht eine gleichzeitige Erhöhung von Festigkeit und Umformbarkeit [1].; GS: Mittlere Kristallgröße der Materialien; ε: plastische Dehnung; TD: Richtung der mechanischen Last.

 

Eine Milliarde Atome bei der Arbeit: Korrelierende Atomsonden-Tomographie als Mikroskopie der Zukunft

Mittels der Atomsonden-Tomografie lassen sich einzelne Atome in einem Material beobachten und deren Positionen genau bestimmen, und man kann die Zusammensetzung unterschiedlicher chemischer Bestandteile des Materials analysieren. Einzelne Atome werden durch ultrakurze elektrische Spannungs- oder Laserpulse auf einer nur wenige Nanometer dünnen Metallspitze ionisiert und durch ein angelegtes Spannungsfeld zu einer Detektorplatte hin beschleunigt. Aus der Flugzeit zwischen dem Ablösen von der Metallspitze bis zum Auftreffen auf dem Detektor lassen sich die Ionen chemisch über ihr Masse-zu-Ladungs-Verhältnis identifizieren. Anhand der Ionenbewegung in einem zwischen Probe und Detektor angelegten Magnetfeld kann man des Weiteren zurückrechnen, wo exakt an der Metallspitze das jeweilige Atom vor seiner Ionisierung ursprünglich positioniert war [2,3].

Die jüngsten Arbeiten am Max-Planck-Institut in Düsseldorf erlauben es, solche Messungen in direkter Verbindung mit der Elektronenmikroskopie an ein und derselben Stelle im Material .durchzuführen. Damit wird die strukturell höchstauflösende Materialbeobachtung auf Basis der Elektronenmikroskopie mit der chemisch-höchstauflösenden Charakterisierung der Atomsonden-Tomografie direkt verbunden. Dies bedeutet nicht nur einen entscheidenden Fortschritt in der unmittelbaren Beobachtung von großen Gruppen von Atomen, sondern eröffnet auch die Möglichkeit eines Vergleiches mit entsprechenden Vorhersagen durch Computerberechnungen der atomaren und chemischen Struktur. Durch die hohe Anzahl der in einem Experiment beobachtbaren Atome lassen sich zudem komplexe, heterogene Nanostrukturen sichtbar machen (siehe Abb. 2, [4]).

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Original 1508158409
Abb. 2: Atomare Untersuchung eines gewichtsreduzierten, extrem festen und duktilen Leichtbau-Materials auf der Basis von Eisen, Mangan, Kohlenstoff und Aluminium. In solchen Legierungen können Aluminium-Gehalte von bis zu 15 Prozent untergebracht werden und entsprechend die Dichte des Metalls reduzieren. Links ist eine elektronenmikroskopische Aufnahme mit einer Atomsonden-Analyse an derselben Stelle im Material dargestellt. Rechts sind die entsprechenden atomar auflösenden Aufnahmen sowie die Computerberechnung dieses Materials erkennbar [4]. Diese Arbeiten werden auch durch einen Sonderforschungsbereich der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFB SFB 761) sowie durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung unterstützt (MatRessource) und in enger Kooperation mit der RWTH Aachen durchgeführt.
Abb. 2: Atomare Untersuchung eines gewichtsreduzierten, extrem festen und duktilen Leichtbau-Materials auf der Basis von Eisen, Mangan, Kohlenstoff und Aluminium. In solchen Legierungen können Aluminium-Gehalte von bis zu 15 Prozent untergebracht werden und entsprechend die Dichte des Metalls reduzieren. Links ist eine elektronenmikroskopische Aufnahme mit einer Atomsonden-Analyse an derselben Stelle im Material dargestellt. Rechts sind die entsprechenden atomar auflösenden Aufnahmen sowie die Computerberechnung dieses Materials erkennbar [4]. Diese Arbeiten werden auch durch einen Sonderforschungsbereich der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFB SFB 761) sowie durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung unterstützt (MatRessource) und in enger Kooperation mit der RWTH Aachen durchgeführt.

Metallische Werkstoffe für die wasserstoffbasierte Energiewirtschaft

Wasserstoff im großen Stil als Energieträger der Zukunft zu nutzen, ist eine große Herausforderung auch und gerade für die Materialwissenschaften. Denn die winzigen Wasserstoffatome dringen leicht in die metallischen Legierungen etwa von Tanks oder Rohrleitungen ein und lassen Materialien spröde werden. Diesen Effekt bezeichnet man auch als Wasserstoffversprödung. Am Max-Planck-Institut für Eisenforschung wird auf atomarer Basis untersucht, wo genau in wasserstoffhaltigen Metallen Risse auftreten und warum [5]. Demnach öffnen sich die ersten hauchfeinen Spalte nicht nur wie in wasserstofffreien Stählen an den Grenzen zwischen den mikroskopischen Kristallkörnern, aus denen die Legierungen bestehen. Vielmehr geschieht das auch innerhalb der Kristalle, und zwar an sehr passgenauen Kristallgrenzen, sogenannten Zwillingspositionen der Atome, die man bisher als unschädlich angesehen hatte. Ein genaues Verständnis, wie solche Risse in wasserstoffhaltigen Stählen entstehen, hilft bei der Entwicklung robusterer Materialien.

Verwandte Fragestellungen im Zusammenhang mit Wasserstoff als Energieträger sind die Entwicklung von Materialien für Brennstoffzellen und entsprechenden peripheren Bauteilen zum Beispiel für den Automobilbereich, aber auch entsprechende nanostrukturierte Metallhydride als sichere Speichermedien für Wasserstoff im mobilen Sektor.

Design neuer Superlegierungen auf Kobaltbasis für effiziente Flugzeugturbinen

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Original 1508158410
Abb. 3: Untersuchung einer neuartigen Superlegierung für Flugzeugturbinen auf Basis einer Zusammensetzung aus Kobalt, Aluminium, Wolfram, Titan und Tantal (Co-8Al-9W-2Ti-2Ta, Gewichtsprozent) auf atomarer Ebene mithilfe der Atomsonden-Tomografie (links) und der Elektronenmikroskopie (rechts) [6]. Diese Arbeiten werden auch durch einen Sonderforschungsbereich der Deutschen Forschungsgemeinschaft unterstützt (DFB TR 103) und in enger Kooperation mit den Universitäten in Bochum und Erlangen durchgeführt.
Abb. 3: Untersuchung einer neuartigen Superlegierung für Flugzeugturbinen auf Basis einer Zusammensetzung aus Kobalt, Aluminium, Wolfram, Titan und Tantal (Co-8Al-9W-2Ti-2Ta, Gewichtsprozent) auf atomarer Ebene mithilfe der Atomsonden-Tomografie (links) und der Elektronenmikroskopie (rechts) [6]. Diese Arbeiten werden auch durch einen Sonderforschungsbereich der Deutschen Forschungsgemeinschaft unterstützt (DFB TR 103) und in enger Kooperation mit den Universitäten in Bochum und Erlangen durchgeführt.

Bei der Entwicklung neuer, sparsamer Flugzeugturbinen bestehen ganz ähnliche Fragestellungen wie bei konventionellen Turbinen in Kraftwerken. Hier spielt insbesondere der sogenannte Wirkungsgrad dieser Wärmekraftmaschinen eine große Rolle. Der Wirkungsgrad bestimmt, wie effizient die ins System hineingebrachte Energie aus dem Treibstoff in elektrische oder kinetische Energie umgewandelt werden kann. Dabei ist die Effizienz umso höher, je heißer sich eine Turbine betreiben lässt. Am effizientesten sind daher mit metallischen Werkstoffen ausgestattete Turbinen, welche möglichst hohe Temperaturen über lange Zeit und unter hohen mechanischen Belastungen aushalten können. Die atomare Untersuchung dieser Materialien eröffnet den Zugang zu einem besseren Verständnis der bei den hohen Temperaturen und gewaltigen mechanischen Fliehkräften auftretenden, langsamen Verformungserscheinungen, die auch als Kriechen bezeichnet werden.

Aufbauend auf diesen Ergebnissen wird gegenwärtig für den Bereich der Flugzeugturbinen eine vollkommen neue Klasse von sogenannten Superlegierungen entwickelt, die nicht wie früher auf dem Hauptlegierungselement Nickel, sondern auf Kobalt beruht (siehe Abb. 3, [6]). Diese neuen Materialien auf Kobaltbasis weisen eine höhere Belastbarkeit und Verformungsbeständigkeit bei sehr hohen Temperaturen auf und haben sogar eine geringere Massendichte im Vergleich zu den momentan eingesetzten Superlegierungen auf Nickelbasis. Das würde zudem zu einer Reduzierung des Gesamtgewichts des Flugzeugs beitragen.

Literaturhinweise

1.
Li, Z.; Pradeep, K. G.; Deng, Y.; Raabe, D.; Tasan, C. C.
Metastable high-entropy dual-phase alloys overcome the strength–ductility trade-off
Nature 534, 227–230 (2016)
DOI
2.
Kuzmina, M.; Herbig, M.; Ponge, D.; Sandlöbes, S.; Raabe, D.
Linear complexions: Confined chemical and structural states at dislocations
Science 349, 1080-1083 (2015)
DOI
3.
Duarte, M. J.; Klemm, J.; Klemm, S. O.; Mayrhofer, K. J. J.; Stratmann, M.; Borodin, S.; Romero, A. H.; Madinehei, M.; Crespo, D.; Serrano, J.; Gerstl, S. S. A.; Choi, P. P.; Raabe, D.; Renner, F. U.
Element-resolved corrosion analysis of stainless-type glass-forming steels
Science 341, 372-376 (2013)
DOI
4.
Yao, M. J.; Dey, P.; Seol, J. B.; Choi, P.; Herbig, M.; Marceau, R. K. W.; Hickel, T.; Neugebauer, J.; Raabe, D.
Combined atom probe tomography and density functional theory investigation of the Al off-stoichiometry of κ-carbides in an austenitic Fe–Mn–Al–C low density steel
Acta Materialia 106, 229-238 (2016)
DOI
5.
Koyama, M.; Akiyama, E.; Tsuzaki, K.; Raabe, D.
Hydrogen-assisted failure in a twinning-induced plasticity steel studied under in situ hydrogen charging by electron channeling contrast imaging
Acta Materialia 61, 4607-4618 (2013)
DOI
6.
Povstugar, I.; Choi, P.-P.; Neumeier, S.; Bauer, A.; Zenk, C. H.; Göken, M.; Raabe, D.
Elemental partitioning and mechanical properties of Ti- and Ta-containing Co–Al–W-base superalloys studied by atom probe tomography and nanoindentation
Acta Materialia 78, 78-85 (2014)
DOI
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