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Hochentwickelte Legierungen

Abkehr von traditionellen Legierungsparadigmen

Die jüngere Vergangenheit hat eine Vielzahl an Legierungskonzepten hervorgebracht, die sich radikal vom traditionellen Ansatz eines Basiselements mit geringen Zusätzen weiterer Legierungselemente unterscheiden. Maßgeblich innerhalb der sogenannten High Entropy Alloys (HEA), die trotz Fehlen eines dezitierten Hauptelementes simple, einphasige Mikrostrukturen zeigen, wurden eine Reihe an Legierungen mit bisher unerreichten absoluten und spezifischen Festigkeiten entwickelt.
Allen Konzepten gemein ist der Imperativ, in die zentralen Bereiche komplexer Phasendiagramme vorzustoßen, wo klassiche Modelle versagen.

Der Übertrag dieser Konzepte in das Regime der Leichtmetalle bedarf einer grundlegenden Neubetrachtung der elementaren Phasenbildungsmechanismen. Das LKR betreibt Grundlagenarbeit auf dem Gebiet der Leichtmetall-HEAs, um die Frage zu beantworten: Existieren Leichtmetall-HEAs überhaupt? Gemeinsam mit europäischen Forschungspartnern werden Screening-Verfahren entwickelt, die die Präzision atomistischer Simulation mit der Geschwindigkeit statistischer Verfahren vereinen und experimentellen Methoden zugänglich sind.

Ein Schwerpunkt der Forschungsaktivitäten des LKR betrifft die Entwicklung nanostrukturierter, eutektischer Legierungen. Eutektische Zusammensetzungen bilden prinzipiell feine Strukturen mit vorteilhaften Eigenschaften bereits im as-cast Zustand, das heißt ohne Verwendung weiterer Prozessschritte, aus. Die Extrapolation in höhere stöchiometrische Dimensionen unter Verwendung moderner Methoden wie CALPHAD ermöglicht die Reskalierung dieser Strukturen in den Nanometer-Bereich und bringt einen Sprung in den erreichbaren Eigenschaften mit sich. Das am LKR entwickelte Konzept ist unabhängig von einem Grundelement und lässt sich auf Magnesium-, Aluminium- und Titanbasierte Systeme anwenden.

Ausgehend von diesen Konzepten wurde am LKR eine Magnesium-Lithium Ultraleichtlegierung entwickelt und patentiert, welche bei einer Dichte von 1,25 g/cm³ Festigkeiten bis zu 450 MPa erreicht, und damit in ihrer spezifischen Festigkeit auf Augenhöhe mit Kohlefaserverbundwerkstoffen steht.  

Während viele Hochleistungslegierungen bei näherer Betrachtung nur durch extreme Sonderherstellverfahren im Labormaßstab erzeugbar sind, gilt für alle Entwicklungen am LKR die Maxime einer finalen Darstellbarkeit mit industrierelevanten Urformprozessen. Durch das komplette In House-Portfolio an semi-industriellen Gießanlagen wird eine permanente Vernetzung zwischen experimenteller Umsetzung und dem Legierungsdesign sichergestellt.

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