Feste Werkstoffe brechen meist plötzlich, verformbare Werkstoffe halten weniger aus: Dieser Zielkonflikt begrenzt seit Jahrzehnten den Bau von Triebwerken und Turbinen. Ein Team der Purdue University hat nun eine Legierung aus Kobalt und Aluminium so umgebaut, dass beide Eigenschaften gleichzeitig auftreten. Das Material erreicht eine Streckgrenze von sechs Gigapascal, also etwa das Sechs- bis Zehnfache von hochfestem Baustahl. Verändert wurde dafür nicht die chemische Zusammensetzung, sondern die innere Struktur.
Kobalt und Aluminium bilden gemeinsam eine intermetallische Verbindung, die sich grundlegend von gewöhnlichen Mischkristallen unterscheidet. In solchen Verbindungen sitzen die beteiligten Atomsorten nicht zufällig verteilt im Gitter, sondern auf festgelegten Plätzen einer streng geordneten Kristallstruktur. Diese Ordnung verleiht dem Material eine hohe Festigkeit, einen hohen Schmelzpunkt und eine große Beständigkeit gegen Kriechen, also gegen das langsame Nachgeben unter dauerhafter Last bei hoher Temperatur. Genau diese Eigenschaften werden in Gasturbinen, Flugzeugtriebwerken und Kraftwerksbauteilen gebraucht. Der Preis dafür ist jedoch eine ausgeprägte Sprödigkeit: Die geordnete Struktur behindert das Wandern von Gitterfehlern, ohne die sich ein Metall nicht dauerhaft verformen kann. Ein Bauteil aus einer solchen Verbindung reißt deshalb ohne Vorwarnung, was den industriellen Einsatz bisher stark begrenzt.
Verantwortlich für die Verformbarkeit von Metallen sind sogenannte Versetzungen, also linienförmige Störungen im Kristallgitter. Wandern sie unter Last durch das Material, gleiten ganze Atomebenen gegeneinander ab und das Bauteil verbiegt sich, statt zu brechen. In stark geordneten intermetallischen Verbindungen stehen diesen Bewegungen hohe Energiebarrieren im Weg, weshalb dort kaum plastische Verformung stattfindet. Die Materialforschung versucht seit Jahren, diesen Nachteil über die Struktur statt über die Zusammensetzung zu beheben. Möglich wird das durch Verfahren, mit denen sich der innere Aufbau von Werkstoffen im Bereich weniger Nanometer gezielt einstellen lässt, etwa durch schichtweises Abscheiden aus der Dampfphase. Auf dieser Ebene entscheiden bereits einzelne Grenzflächen darüber, ob ein Riss gestoppt wird oder sich ungehindert ausbreitet.
Das Team um Ke Xu und Xinghang Zhang kombinierte zwei Bauelemente in einem Schichtsystem. Zum einen brachten die Forscher eine große Zahl bereits vorhandener Versetzungen in das Material ein, sodass diese nicht erst unter Last mühsam entstehen müssen. Zum anderen legten sie zwischen die kristallinen Lagen dünne amorphe Grenzflächen ohne feste Ordnung, die Spannungen aufnehmen und weiterleiten können. Wie die Gruppe in ihrer Studie in Science Advances beschreibt, hielt das so aufgebaute Material im Druckversuch bei Raumtemperatur eine plastische Verformung von 15 Prozent aus, bevor es dauerhaft geschädigt wurde. Herkömmliche Proben derselben Verbindung versagen unter vergleichbaren Bedingungen ohne nennenswerte Verformung.
Die Streckgrenze beschreibt jene Spannung, ab der ein Werkstoff nicht mehr in seine Ausgangsform zurückkehrt. Hochfester Baustahl liegt hier je nach Sorte im Bereich einiger hundert Megapascal bis knapp über ein Gigapascal, das neue Schichtsystem erreicht sechs Gigapascal. Für den Bau von Turbinenschaufeln, Wellen oder Brennkammerbauteilen wäre ein solcher Sprung erheblich, weil Bauteile bei gleicher Belastbarkeit dünner und leichter ausfallen könnten. Geringeres Gewicht senkt bei rotierenden Teilen zusätzlich die Fliehkräfte, was den Effekt verstärkt. Zugleich bleibt die typische Stärke intermetallischer Verbindungen erhalten, nämlich ihre Stabilität bei hohen Temperaturen. Ähnlich gezielt hatte die Werkstoffforschung zuletzt bei einem Metall ohne nennenswerte thermische Ausdehnung angesetzt.
Bis zur technischen Anwendung sind allerdings mehrere Schritte offen. Nachgewiesen wurde der Effekt bislang ausschließlich an einem nanoskaligen Schichtsystem, also an einer sehr dünnen Probe, nicht an einem massiven Werkstück. Die Forscher wollen das Prinzip deshalb auf größere Verbundstrukturen übertragen, in denen dieselben Grenzflächen und Versetzungen im gesamten Volumen wirken. Parallel soll geprüft werden, ob sich weitere spröde intermetallische Verbindungen auf demselben Weg zäher machen lassen, was den Ansatz von einem Einzelfall zu einer allgemeinen Entwurfsregel machen würde. Gefördert wurde die Arbeit überwiegend von der US-amerikanischen National Science Foundation. Bewertet werden muss zudem, wie sich das Schichtsystem unter zyklischer Belastung und bei Betriebstemperatur verhält, denn Druckversuche bei Raumtemperatur bilden nur einen Teil der realen Beanspruchung ab. Wie langwierig der Weg vom Laborbefund zum verfügbaren Werkstoff sein kann, zeigt die Geschichte von künstlich erzeugtem Tetrataenit.
Science Advances, Plasticity in brittle intermetallics enabled by framework of amorphous interfaces and preexisting dislocations; doi:10.1126/sciadv.aeb0766