Forschung

Hybride Werkstoffe, d.h. Verbundwerkstoffe oder Werkstoffverbunde, die aus mehreren Einzelkomponenten hergestellt oder gefügt werden, spielen in der industriellen Anwendung eine immer wichtigere Rolle. Ziel des hybriden Leichtbau ist dabei in der Regel die Reduktion der Masse von Tragwerkstrukturen oder Bauteilen bei gleichzeitiger Erhöhung der Bauteilleistungsfähigkeit, die sich beispielsweise in einer höheren Steifigkeit, einer höheren Festigkeit, einer erhöhten Zähigkeit oder einer verbesserten Schwingfestigkeit äußert. Neben Stählen mit einer vergleichsweise hohen Steifigkeit und Dichte besitzen primär die Leichtmetalle Aluminium und Magnesium sowie Polymere auf Grund ihrer geringen Dichte ein hohes Leichtbaupotenzial. Ein Vorteil der letztgenannten Werkstoffgruppe ist darüber hinaus die gute Verarbeitbarkeit. Nachteilig bei allen Leichtmetallen und Polymeren ist die geringe Steifigkeit, die bei eingeschränktem Bauraum nur durch den Einsatz von Verstärkungselementen erhöht werden kann. Zum Einsatz kommen hier vor allem keramische oder metallische Partikel oder Fasern, wodurch die absolute und zum Teil auch die spezifische Steifigkeit erhöht wird. Die Kombination artverschiedener Werkstoffe in einem Verbundwerkstoff oder einem durch eine konventionelle Fügetechnologie generierten Werkstoffverbund resultiert dabei stets in der Entstehung einer Grenzfläche. Diese ist für die Leistungsfähigkeit des Verbundes mit entscheidend, da sie die Lastübertragung zwischen den Verbundpartnern gewährleistet.

In der Abteilung Physikalischen Metallkunde werden neue, metallische Werkstoffe für extreme Bedingungen auf Grundlage metallphysikalischer Methoden untersucht und entwickelt. Der Fokus liegt dabei auf Materialien auf Basis intermetallischer Phasen zur Steigerung der Effizienz von Maschinen mit hohen Betriebstemperaturen. Dabei sind im Allgemeinen eine gute Hochtemperaturfestigkeit und Kriechbeständigkeit sowie eine hohe Oxidationsstabilität kombiniert mit ausreichender Bruchzähigkeit bei niedrigen Temperaturen zentrales Entwicklungsziel. Darüber hinaus werden in unserer Abteilung auch das grundlegende Verhalten von Kontaktwerkstoffen in Vakuumschaltern sowie das mechanische Verhalten von bestimmten Legierungen bei sehr tiefen Temperaturen untersucht.

Die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten der Abteilung „Werkstoffe und Prozesse“ sind in die programmorientierte Förderung des Großforschungsteils der Helmholtz-Gemeinschaft eingebettet. Die FuE-Arbeiten verteilen sich auf die Forschungsprogramme Materialien und Technologien für die Energiewende (MTET), Fusion und Materials Systems Engineering (MSE).

Die Abteilung Schwingfestigkeit beschäftigt sich mit der Prüfung, Bewertung und Optimierung von Werkstoffen unter zyklischer Last. Hierzu werden Ermüdungsversuche unter Zug-Druck-, Biege-, Torsions- sowie überlagerter Belastung bei Raumtemperatur und im Hochtemperaturbereich durchgeführt. Weiterhin werden thermisch-mechanische Ermüdungsversuche gefahren, bei denen gleichzeitig Temperatur und mechanische Last zyklisch verändert werden, um die Beanspruchung in heißgehenden Bauteilen, wie z. B. Zylinderköpfen oder Turbinenschaufeln, abzubilden. Je nach Belastungsbedingungen erreichen die geprüften Werkstoffproben Lebensdauern von wenigen hundert bis hin zu ca. 10⁹ Zyklen. Ziel ist es, die Schädigungsmechanismen, die unter der jeweiligen zyklischen Beanspruchung ablaufen, besser zu verstehen und darauf aufbauend einerseits Modelle für Lebensdauervorhersagen zu entwickeln und andererseits die Werkstoffzustände für die entsprechende Belastung zu optimieren.

Im Rahmen der Arbeiten der Abteilung "Fertigung und Bauteilverhalten" werden die Wechselwirkungen zwischen Fertigungsprozessen, Bauteilzustand und Bauteilverhalten bei mechanischen Beanspruchungen untersucht. Ziel ist es durch die Untersuchungen den Fertigungsprozess so einzustellen, dass ein optimaler Bauteilzustand erreicht wird. Die betrachteten Fertigungsverfahren stehen entweder in den fertigungstechnischen Laboratorien des IAM-WK zur Verfügung, oder werden im Rahmen von Kooperationen mit fertigungstechnischen Instituten bereitgestellt.

Die Abteilung "Defekte in Materialien" untersucht die Defektstruktur und deren Einfluss auf Thermodynamik, Kinetik und Mechanik kristalliner Materialien. Die Defektstruktur ist vom jeweiligen Herstellungsprozess und der Prozessführung bei der Materialsynthese abhängig. Sie verändert Löslichkeiten und Phasenstabilitäten von Legierungen ebenso wie Diffusionsmechanismen, aber auch die Festigkeit und das Ermüdungsverhalten von Werkstoffen. Ihr systematisches Verständnis und ihre gezielte Beeinflussung eröffnen Wege zur Optimierung von Materialien in einer Vielzahl von Anwendungsbereichen der Energietechnik, der Automobilindustrie oder des Bauingenieurwesens. Für das Studium der Prozess-Struktur-Eigenschafts-Beziehungen von Materialien nutzen wir physikalische Charakterisierungsmethoden, die von der Aufklärung atomarer Konfigurationen bis zur Bestimmung makroskopischer Materialkennwerte reichen. Einen Arbeitsschwerpunkt bildet dabei das Studium der Wechselwirkung von Materialien mit atomar gelöstem Wasserstoff. Diesem kommt in einer auf erneuerbare Energien ausgerichteten Ökonomie als Bindeglied zwischen unterschiedlichen Bereichen der Energieversorgung eine zentrale Bedeutung zu. Gleichzeitig ist Wasserstoff jedoch Akteur bei der strukturellen Schädigung von Werkstoffen in Pipelines, Verbrennungsmaschinen und Stützkonstruktionen. Beiden Aspekten gehen wir in unserer Forschung nach.

Struktur und Eigenschaften von Metall/Keramik-Verbundwerkstoffen und zweiphasigen Legierungen, Experimentelle Eigenspannungsanalyse an Werkstoffen und Bauteilen, mit Fokus auf Randschichten, Entwicklung und Anwendung innovativer zerstörungsfreier Methoden der Materialcharakterisierung auf Basis von Röntgenstrahlen und Ultraschallwellen.