6.2 Material- und Oberflächentechnologien
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Making Light Matter
(2024)
Material Acceleration Platforms (MAPs) represent a transformative approach to the development of resilient and sustainable technology value chains. These platforms can identify candidate chemistries and structures via simulations, and database searches and leverage machine learning-based rapid screening to accelerate the discovery and deployment of novel materials, thereby addressing critical challenges in modern technology sectors.
Incorporating high-fidelity advanced characterization in the early phases of material development is crucial for early de-risking. Advanced characterization techniques, such as X-ray diffraction, advanced electrochemical and spectroscopic techniques provide comprehensive insights into the structural, chemical, and physical properties of materials. Long-term testing further contributes to the de-risking process by evaluating the durability and stability of materials under various environmental and operational conditions. Early identification of potential degradation mechanisms enables the refinement of material compositions and processing methods, ultimately leading to the development of more resilient materials.
Early upscaling attempts are integral to assessing the feasibility of material leads generated through machine learning-based rapid screening to evaluate the scalability of synthesis and processing techniques. This step is critical for identifying potential challenges in manufacturing, such as issues related to reproducibility, yield, and cost-effectiveness. Process design has to be a major part of the MAP-based material design to cope with the increasing share of secondary raw materials in supply chains.
This presentation will briefly summarize possible strategies to address these issues and provide deep-dives on best practices. As the demand for advanced materials continues to grow, MAPs will play an increasingly vital role in driving technological advancements and addressing global challenges.
Recent publications indicate that the order of electrochemical anodization (before or after the laser-processing step) plays an important role for the response of boneforming osteoblasts – an effect that can be utilized for improving permanent dental- or removable bone-implants. For exploring these different surface functionalities, multi-method chemical and structural characterizations were performed for two different characteristic micro-spikes covered by nanometric laserinduced periodic surface structures (LIPSS) on Ti-6Al-4V upon irradiation with nearinfrared ps-laser pulses (1030 nm wavelength, ~1 ps pulse duration, 66 & 80 kHz pulse repetition rate) at two distinct sets of laser fluence and beam scanning parameters. This involves morphological and topographical investigations by scanning electron microscopy (SEM) and white light interference microscopy (WLIM), near-surface chemical analysis by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and hard X-ray photoelectron spectroscopy (HAXPES), as well as structural material examination via X-ray diffraction (XRD) measurements. The results allow to qualify the laser ablation depth, assess the spike geometry and surface roughness parameters, and provide detailed insights into the near-surface oxidation that may cause the different cell growth behavior for pre- or post-anodized medical implants.
Recent publications indicate that the order of electrochemical anodization (before or after the laser processing step) plays an important role for the response of bone-forming osteoblasts—an effect that can be utilized for improving permanent dental or removable bone implants. For exploring these different surface functionalities, multimethod morphological, structural, and chemical characterizations are performed in combination with electrochemical pre- and postanodization for two different characteristic microspikes covered by nanometric laser-induced periodic surface structures on Ti–6Al–4V upon irradiation with near-infrared ps-laser pulses (1030 nm wavelength, ≈1 ps pulse duration, 67 and 80 kHz pulse repetition frequency) at two distinct sets of laser fluence and beam scanning parameters. This work involves morphological and topographical investigations by scanning electron microscopy and white light interference microscopy, structural material examinations via X-ray diffraction, and micro-Raman spectroscopy, as well as near-surface chemical analyses by X-ray photoelectron spectroscopy and hard X-ray photoelectron spectroscopy. The results allow to qualify the mean laser ablation depth, assess the spike geometry and surface roughness parameters, and provide new detailed insights into the near-surface oxidation that may affect the different cell growth behavior for pre- or postanodized medical implants.
Durch Auslagerungs- und elektrochemische Tests im Labor kann das Korrosionsverhalten verschiedener metallener Werkstoffe beurteilt werden. Aus den Versuchsergebnissen, die in verschiedenen synthetischen Geothermalwässern im Labor erzielt wurden, lassen sich die folgenden Schlussfolgerungen ziehen:
• Die Anfälligkeit für Spaltkorrosion wurde als wichtigster Aspekt für die Werkstoffqualifizierung ermittelt.
• Der niedriglegierte Stahl 25CrMo4 zeigte bei niedrigem Salzgehalt in MB-Geothermalwasser eine gleichmäßige Korrosion unterhalb der akzeptierten Schwelle von 0,3 mm/Jahr. Daher kann er als geeignet für geothermische Bedingungen mit niedrigem Salzgehalt angesehen werden, wie sie für MB getestet wurden. Es besteht keine Notwendigkeit, auf höherlegierte (teurere) Werkstoffe auszuweichen. Ein niedrigerer pH-Wert (wie bei LHD) führt zu Korrosionsraten oberhalb der akzeptablen Grenzwerte, so dass die niedriglegierten Werkstoffe nicht für Flüssigkeiten mit niedrigem pH-Wert geeignet sind.
• Stark salzhaltige Geothermalwässer erfordern höherlegierte Werkstoffe, da die Korrosionsrate von niedriglegiertem Stahl zu hoch ist.
• Der Duplexstahl X2CrNiMo22-5-3 und der Superduplexstahl X2CrNiMoCuWN25-7-4 wurden aufgrund ihrer kritischen Anfälligkeit für örtliche Korrosion in Form von Loch- und Spaltkorrosion unter Betriebsbedingungen nicht als geeignet für geothermische Anwendungen in Geothermalwässern mit einer mit NDB und ORG vergleichbaren Zusammensetzung angesehen.
• Der superaustenitische Stahl X1CrNiMoCu32-28-7 eignet sich für ORG und salzarme Wässer. In NDB-Geothermalwasser wurde er bei 100 °C als geeignet angesehen. Jedoch schränkt seine Anfälligkeit für Spaltkorrosion seine Anwendbarkeit ein. Neben seiner guten Korrosionsbeständigkeit ist sein Repassivierungsverhalten für seine begrenzte Anwendbarkeit in Geothermalwässern mit niedrigem pH-Wert verantwortlich.
• Die Nickelbasislegierung NiCr23Mo16Al wurde als geeignet erachtet und stellt eine sichere Option für den Einsatz in geothermischen Anlagen dar, selbst wenn mit stark salzhaltigem Geothermalwasser gearbeitet wird.
Durch Auslagerungs- und elektrochemische Tests im Labor kann das Korrosionsverhalten verschiedener metallener Werkstoffe beurteilt werden. Aus den Versuchsergebnissen, die in verschiedenen synthetischen Geothermalwässern im Labor erzielt wurden, lassen sich die folgenden Schlussfolgerungen ziehen:
• Die Anfälligkeit für Spaltkorrosion wurde als wichtigster Aspekt für die Werkstoffqualifizierung ermittelt.
• Der niedriglegierte Stahl 25CrMo4 zeigte bei niedrigem Salzgehalt in MB-Geothermalwasser eine gleichmäßige Korrosion unterhalb der akzeptierten Schwelle von 0,3 mm/Jahr. Daher kann er als geeignet für geothermische Bedingungen mit niedrigem Salzgehalt angesehen werden, wie sie für MB getestet wurden. Es besteht keine Notwendigkeit, auf höherlegierte (teurere) Werkstoffe auszuweichen. Ein niedrigerer pH-Wert (wie bei LHD) führt zu Korrosionsraten oberhalb der akzeptablen Grenzwerte, so dass die niedriglegierten Werkstoffe nicht für Flüssigkeiten mit niedrigem pH-Wert geeignet sind.
• Stark salzhaltige Geothermalwässer erfordern höherlegierte Werkstoffe, da die Korrosionsrate von niedriglegiertem Stahl zu hoch ist.
• Der Duplexstahl X2CrNiMo22-5-3 und der Superduplexstahl X2CrNiMoCuWN25-7-4 wurden aufgrund ihrer kritischen Anfälligkeit für örtliche Korrosion in Form von Loch- und Spaltkorrosion unter Betriebsbedingungen nicht als geeignet für geothermische Anwendungen in Geothermalwässern mit einer mit NDB und ORG vergleichbaren Zusammensetzung angesehen.
• Der superaustenitische Stahl X1CrNiMoCu32-28-7 eignet sich für ORG und salzarme Wässer. In NDB-Geothermalwasser wurde er bei 100 °C als geeignet angesehen. Jedoch schränkt seine Anfälligkeit für Spaltkorrosion seine Anwendbarkeit ein. Neben seiner guten Korrosionsbeständigkeit ist sein Repassivierungsverhalten für seine begrenzte Anwendbarkeit in Geothermalwässern mit niedrigem pH-Wert verantwortlich.
• Die Nickelbasislegierung NiCr23Mo16Al wurde als geeignet erachtet und stellt eine sichere Option für den Einsatz in geothermischen Anlagen dar, selbst wenn mit stark salzhaltigem Geothermalwasser gearbeitet wird.
The presentation gives an overview of BAM's activities on processing influences and application properties of MPEAs in the form of joined and machined high and medium entropy alloys (CoCrFeMnNi and CoCrNi). In the case of welding, the focus is on defect-free welded joints with sufficient mechanical properties. In the case of machining, the focus is on the possible influence on the surface quality of the materials through adequate milling parameters. In addition, the hydrogen absorption and diffusion properties as well as the electrochemical corrosion behavior are fundamentally examined.
Laser-induced periodic surface structures (LIPSS) enable a large variety of different surface functionalizations for applications in the fields of optics, fluidics, tribology, or medicine. Moreover, high spatial frequency LIPSS (HSFL) provide an appealing and straightforward way for the generation of surface nanostructures featuring spatial periods even below 100 nm – far beyond the optical diffraction limit. However, the imposed surface functionalities are usually caused by both, topographic and chemical surface alterations. For exploring these effects in detail, multi-method characterization was performed here for HSFL processed on Ti-6Al-4V alloy upon irradiation with near-infrared ps-laser pulses (1030 nm wavelength, ~1 ps pulse duration, 1 – 400 kHz pulse repetition rate) under different scan processing conditions. The subsequent sample characterization involved morphological and topographical investigations by scanning electron microscopy (SEM), atomic force microscopy (AFM), stylus profilometry (SP), as well as near-surface chemical analyses by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), hard X-ray photoelectron spectroscopy (HAXPES) and depth-profiling time-of-flight secondary ion mass spectrometry (TOF-SIMS). The results allow to qualify the laser ablation depth, the geometrical HSFL characteristics and provide detailed insights into the depth extent and the nature of the ps-laser-induced near-surface oxidation arising from the laser-processing in ambient air and into the relevance of heat-accumulation effects at high pulse repetition rates. Moreover, the direct comparison of the HAXPES and XPS data reveals the role of surface-covering organic contaminants adsorbed from the ambient atmosphere without ion-sputter depth profiling. Furthermore, reduction of the oxides by sputtering can be avoided.
Advances in ultrafast laser manufacturing: nanostructures, thin films, and scaling perspectives
(2024)
Advanced ultrafast laser technology is a rapidly growing field that currently enables many new industrial and scientific applications. During the last decades, this has been significantly driven by the availability of high-repetition-rate laser sources and novel beam delivery concepts. At the laser side, Moore’s law equally manifests for ultrafast laser technologies, since the average output power of such lasers doubles approximately every two years. This development is mainly driven by the increase of the pulse repetition rates of energetic laser pulses, currently enforcing the development of smart beam control and novel scanning strategies for preventing heat-accumulation and plasma-shielding effects during laser-based materials processing. This keynote presentation addresses the advantages, recent developments, and perspectives of laser processing with ultrashort laser pulses. A special focus is laid on the tailored structuring of thin films as well as the manufacturing and probing of sub-diffraction surface nanostructures – an ongoing race to extreme scales. Current limitations are identified and an outlook to future scaling perspectives will be provided.