TU BRAUNSCHWEIG

Forschung am Institut für Werkstoffe

 

Allgemeines

Generell beschäftigt sich das IfW mit explorativen und weit in die Zukunft weisenden Forschungsansätzen auf dem Gebiet metallischer Werkstoffe; dabei richtet sich die Forschung an den technischen und industriellen Anforderungen aus, die mittelfristig von Bedeutung sein werden. Methodisch und apparativ verfügt das IfW über ein breites Spektrum von der Werkstoffsimulation über die Synthese bis hin zu mechanischen Eigenschaftsprüfung.
Die Forschungsschwerpunkte am Institut für Werkstoffe sollen im folgenden kurz vorgestellt werden.

Hochtemperaturwerkstoffe

Ein zentrales Thema ist die Weiterentwicklung von Hochtemperaturwerkstoffen, wie sie im Bau von Turbinen für Kraftwerke oder Flugzeugtriebwerke Anwendung finden. Die hier eingesetzten Werkstoffe müssen auch bei hohen Temperaturen noch über eine erhebliche mechanische Festigkeit verfügen, um den wirkenden Kräften widerstehen zu können. Da der Wirkungsgrad jedes thermodynamischen Prozesses mit der Spitzentemperatur steigt, besteht ein großes Interesse daran, die Einsatztemperaturen stetig weiter zu erhöhen.
Der vorherrschende Verformungsmechanismus bei hohen Temperaturen ist das Kriechen, also die stetige Verformung des Werkstoffs unter zeitlich konstanter Last. Als besonders kriechbeständige Werkstoffe haben sich Nickelbasis-Superlegierungen etabliert, die deshalb am IfW unter verschiedenen Gesichtspunkten untersucht und weiterentwickelt werden.

Heutige Turbinenschaufeln und Brennkammern werden von Innen gekühlt, da ihre Schmelztemperatur unterhalb der Gastemperatur in der Brennkammer liegt. Der entstehende Temperaturgradient macht es möglich, sie zusätzlich durch keramische Wärmedämmschichten zu schützen. Bei der Forschung am IfW steht zum einen das Versagen von Wärmedämmschichten im Vordergrund, zum anderen werden im Rahmen des SFB-Transregio 40 Wärmedämmschichten für Raketentriebwerke untersucht.

Neue Werkstoffe

Die Untersuchung neuer Klassen von Werkstoffen ist ein weiterer Forschungsschwerpunkt am IfW.

Für hochbelastete Bauteile im Leichtbau werden häufig Titanlegierungen eingesetzt. Diese zeichnen sich durch hohe Festigkeit aus, sind aber schwer bearbeitbar. Am Institut werden insbesondere neue Titanlegierungen mit verbesserten Bearbeitungseigenschaften untersucht.

Die aus Superlegierungen hergestellten nanoporösen Metallmembranen zeigen ein breites  funktionales Spektrum von der Gastrennung über die Verwendung als Substrat in der Brennstoffzellentechnik bis hin zum Einsatz als Biofilter.

Poröse Strukturen sind auch in der Luftfahrt von Interesse: Der lautlose Flug der Eule beruht auf den mikroskopisch feinen Verästelungen der Flugfedern an der Flügelkante. Im Rahmen des SFB 880 werden poröse Materialien zur Lärmminderung untersucht.

Aus Nickelbasis-Superlegierungen lassen sich durch elektrochemische Extraktion würfelförmige Teilchen mit einer Kantenlänge von einigen Hundert Nanometern herstellen. Diese werden im Rasterelektronenmikroskop verformt. Dabei lassen sich nicht nur Rückschlüsse auf das Verformungsverhalten auf kleinen Längenskalen ziehen, sondern im Prinzip auch Nanobauteile herstellen.

Simulation

Die Simulation ist eine Querschnittstechnologie, die am IfW in unterschiedlichen Bereichen eingesetzt wird.

Wärmedämmschichten für Turbinenschaufeln versagen im Betrieb durch Wachstum einer Oxidschicht, die dann zur Rissbildung führt. Simulationen der Spannungsentwicklung und der Rissausbreitung helfen, das Versagensverhalten von Wärmedämmschichten zu verstehen.

Auch andere Projekte des Instituts werden durch Finite-Element-Simulationen unterstützt, beispielsweise die Entwicklung poröser Materialien zur Schalldämmung.

Zur Entwicklung neuer Werkstoffe können quantenmechanische Simulationsverfahren eingesetzt werden. Dabei werden Anordnungen von einigen Zehn oder Hundert Atomen berechnet, um beispielsweise die Energien unterschiedlicher Phasen zu berechnen und deren Stabilität zu bestimmen. Am IfW wird dieses Verfahren zur Entwicklung von Titan- und Nickelbasis-Legierungen eingesetzt.

Physikalische Messverfahren

Die Forschungsthemen im Bereich Physikalische Messverfahren zeichnen sich dadurch aus, dass sie nicht durch eine Werkstoffklasse, sondern durch ein Verfahren charakterisiert sind, das sich auf verschiedene Werkstoffe anwenden lässt. Hierzu gehört zunächst die mechanische Spektroskopie, die die frequenzabhängige Elastizität und das Dämpfungsverhalten von Werkstoffen untersucht, die zu Schwingungen angeregt werden, und zwar einerseits, um Werkstoffeigenschaften zu charakterisieren, (z.B. für metallische Schäume) andererseits aber auch als eigenständige Untersuchungsmethode (z.B. unter Verwendung von Wasserstoff als Sonde).

Schadensanalyse und Bruchmechanismen

Das Institut verfügt über eine jahrzehntelange Erfahrung auf dem Gebiet der Schadensanalyse. Neben Fällen aus dem allgemeinen Maschinenbau werden Probleme aus Spezialgebieten wie Luftfahrttechnik, medizinische Implantate oder Chemische Industrie, wo insbesondere Fragen der Korrosion zu klären sind, bearbeitet. Gleichrangig neben der Klärung von Schadensfällen steht die Beratung bei der Werkstoffauswahl und die Prüfung von Bauteilen vor dem Einsatz im Betrieb. In Zusammenarbeit mit der Deutschen Gesellschaft für Materialkunde wird jährlich ein internationales Fortbildungsseminar in Ermatingen/Schweiz veranstaltet. Angeregt durch Schadensfälle sind eine Reihe von Bruchmechanismen und das Verhalten unter mehrachsiger Schwingbeanspruchung eingehend untersucht worden.


  aktualisiert am 03.04.2017
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