6 Materialchemie
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Spurenelemente spielen eine wichtige Rolle bei der Verfeinerung der Eigenschaften von komplexen Materialien. Diese Arbeit zeigt die Korrelation zwischen der Mikrostruktur, der Gitterfehlpassung und den Kriecheigenschaften. Die Legierung Al10Co25Cr8Fe15Ni36Ti6 (in at. %) mit komplexer Zusammensetzung wurde mit den Elementen Hf und W verstärkt. Die Zugabe von Hf bewirkt eine eckigere Form der würfelförmigen gamma'-Ausscheidungen und einen erhöhten Anteil der Heusler-Phase. Die Zugabe von W wiederum formt die Würfelchen rundlicher und löst die Heusler-Phase auf. Eine Mischung der beiden Spurenelemente zeigt einen Übergang zwischen den beiden Extremen, sowohl in Hinsicht auf die Form der Ausscheidungen als auch in Bezug auf die Gitterfehlpassung und die Kriecheigenschaften.
Hochentropie-Legierungen (HEAs) zeichnen sich durch einen Mischkristall-System aus mindestens fünf und Mittelentropie-Legierungen (MEAs) durch mindestens drei Hauptlegierungselemente aus, in äquiatomarer Zusammensetzung. Sie zeigen außergewöhnliche Anwendungseigenschaften, wie z.B. hohe Festigkeit, Duktilität oder Korrosionsbeständigkeit. Zukünftige HEA/MEA-Komponenten aufgrund ihrer Eigenschaften für wasserstoffhaltige Umgebungen (wie Behälter für kryogene oder Hochdruckspeicherung) von Interesse. Daher ist die Bewertung der Wasserstoffabsorption und die Diffusion in diesen Materialien von großer Bedeutung. Dazu wurden in unserer Studie eine CoCrFeMnNi-HEA und eine CoCrNi-MEA untersucht. Die Proben wurden elektrochemisch mit Wasserstoff beladen. Für die Ermittlung des Wasserstoffdiffusionsverhaltens wurde die thermische Desorptionsanalyse (TDA) mit unterschiedlichen Heizraten bis zu 0,250 K/s angewandt. Die nachfolgende Peakentfaltung der Signale führte zu Hochtemperatur-Desorptionsspitzen und Wasserstofftrapping auch über 280°C. Eine resultierende Gesamtwasserstoffkonzentration > 40 ppm wurde für den MEA ermittelt und > 100 ppm für den HEA. Dies deutet auf zwei wichtige Effekte hin:
(1) verzögerte Wasserstoffdiffusion und (2) eine beträchtliche Menge an getrapptem Wasserstoff auch bei hoher Temperatur. Beide Effekte können hinsichtlich einer wasserstoffunterstützten Rissbildung kritisch werden, dies erfordert jedoch weitere Untersuchungen. Zusätzlich erfolgte die Bestimmung des lokalen Volta-Potentials mittels hochauflösender Kelvin-Sonden-Kraft-Mikroskopie (SKPFM). Die ermittelten Scans zeigen einen bestimmten Einfluss der Wasserstoffbeladung auf die Potentiale.
Die Reduktion von Reibung und Verschleiß in technischen Systemen bietet ein großes Potenzial zur Reduktion von CO2-Emissionen. Dieser Beitrag diskutiert die Erzeugung und tribologische Charakterisierung von Ultrakurzpuls-generierten Nano- und Mikrostrukturen auf Metallen (Stahl, Titan). Besonderes Augenmerk wird dabei auf die Rolle der laserinduzierten Oxidschicht im Zusammenspiel mit verschleißreduzierenden Additiven in ölbasierten Schmiermitteln gerichtet.
Im Überblicksvortrag werden Untersuchungen zur Laser-Mikro- und Nanostrukturierung mit Femtosekunden-Laserimpulsen und ausgewählte Anwendungen, z.B. in der Photovoltaik und Biomedizin, vorgestellt. Aktuelle Fragestellungen zur sicheren Prozessführung, wie die mögliche Erzeugung von Röntgenstrahlung beim Laserbearbeitungsprozess und unerwünschte Partikelemissionen, werden aufgegriffen.
Lasermaterialbearbeitung ist eine sich schnell entwickelnde Technologie, um eine Vielzahl von Oberflächenfunktionalitäten auf Basis optischer, mechanischer oder chemischer Eigenschaften zu realisieren. Die Verwendung ultrakurzer Laserimpulse mit Dauern im Femtosekundenbereich ermöglicht dabei neben einer herausragenden Bearbeitungs-präzision auch die selbstorganisierte Erzeugung verschiedener charakteristischer Ober-flächenstrukturen mit Größenskalen im Mikrometer- bis hinunter in den sub-100-nm-Bereich, z.B. sogenannte Ripples („Laser-Induced Periodic Surface Structures“, LIPSS), Grooves, oder Spikes.
In dem Vortrag wird ein Überblick über die in den vergangenen Jahren in Zusammenarbeit mit dem BAM Fachbereich 6.3 durchgeführten tribologischen Experimente gegeben. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf den tribologischen Eigenschaften (Reibung und Verschleiß) der unterschiedlichen Femtosekunden-Laser-generierten Oberflächen-morphologien auf gängigen Metallen (z.B. Stahl, Titan). Einflüsse durch die Veränderungen der Härte des Werkstoffs infolge Laser-induzierter Oxidation, der Dicke und Struktur der Oxidschicht, und die Wirksamkeit unterschiedlicher Schmiermittel (z.B. additiviertes Motoröl) werden diskutiert.
Ultrakurzpuls-Lasertechnik ist heute der Schlüssel für eine Vielzahl von Anwendungen in der industriellen Lasermaterialbearbeitung. Beim Einsatz hoher Laser-Intensitäten kann allerdings unerwünschte Röntgenstrahlung erzeugt werden. Die Röntgendosis und Energieverteilung ist von Laser-, Material- und Prozessparametern abhängig. Es können Röntgendosen über den erlaubten Grenzwerten für die Exposition des Menschen erreicht werden.
Die Erzeugung unerwünschter Röntgenstrahlung bei der Ultrakurzpulslaser-Bearbeitung von Cornea und Zahnmaterial wurde untersucht. Laser-induzierte Dosisleistungen über dem natürlichen Hintergrund wurden gemessen. Mögliche Strahlenexpositionen in realen Anwendungen am Menschen wurden im Online-Vortrag diskutiert. Im Rahmen des vom BfS geförderten Projektes haben die Hochschule Mittweida und die BAM gemeinsam Untersuchungen durchgeführt.