Neue Legierung ist bis zu 10 Mal fester als Stahl und reißt nicht

Die Massenproduktion von Qualitätsstahl löste eine Revolution aus: Damit wurden Bauten möglich, die es vorher nicht gab! Doch der Stahl bildet nicht das Ende der Fahnenstange, er kann rosten, ist für viele Anwendungen zu wenig verformbar und hat natürlich auch seine Festigkeitsgrenzen. Hochbelastete Metalllegierungen müssen heute viel besser sein als das, darum erregt die neue Kobalt-Aluminium-Legierung von Forschern der Purdue University so viel Aufmerksamkeit. Sie könnte die Belastbarkeitsgrenze von Turbinen und Triebwerken enorm anheben.

Nanolaminat-Legierung: extreme Festigkeit mit Verformbarkeit

Die Legierung soll eine Streckgrenze von sechs Gigapascal erreichen, ungefähr das Sechs- bis Zehnfache von hochfestem Baustahl. Gleichzeitig besteht die Möglichkeit zur plastischen Verformung und damit eine immense Reißfestigkeit. Normalerweise sind intermetallische Verbindungen zwar extrem fest und gegen hohe Temperaturen beständig, können aber ohne jede Vorwarnung reißen, weil ihre stark geordnete Kristallstruktur kaum Versetzungen innerhalb des Gefüges zulässt.

Das Forscherteam um Ke Xu und Xinghang Zhang konzentrierte sich deshalb nicht auf die chemische Zusammensetzung der Komposition aus Kobalt und Aluminium, sondern auf den inneren Aufbau im Nanometerbereich. Sie brachten darin Versetzungen ein, die sie mit dünnen, amorphen Grenzflächen pufferten. Die Zwischenschichten nehmen Spannungen auf und leiten Kräfte weiter. Im Druckversuch bei Raumtemperatur hielt das neuartige Schichtsystem eine plastische Verformung von hohen 15 Prozent ohne Schäden aus. Dieselbe Verbindung ohne Schichten versagt unter gleichen Bedingungen ohne eine besondere Verformung.

Leichtere, enorm haltbare Konstruktionen werden möglich

Das Schichtmaterial könnte bei Turbinenschaufeln, Wellen und Brennkammerbauteile eine erheblich dünnere und leichtere Konstruktion ermöglichen. Das geringe Gewicht würde bei rotierenden Teilen gleichzeitig die Fliehkräfte reduzieren, während die hohe Temperaturbeständigkeit ihr Übriges tut. Bislang gibt es die neue Legierung allerdings nur als dünnes Schichtsystem im Nanobereich. Die Forscher möchten nun das Prinzip auf größere Verbundstrukturen übertragen und weitere Prüfungen durchführen – auch unter zyklischer Belastung und höheren Temperaturen.