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.
Vier Forschungsschwerpunkte sind am Institut für Werkstoffe vertreten und 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.
Ebenfalls von Bedeutung sind Titanlegierungen, bei denen der Aspekt der Bearbeitbarkeit im Vordergrund der Forschung steht.
Schließlich werden auch keramische Wärmedämmschichten untersucht.

Neue Werkstoffe

Die Untersuchung neuer Klassen von Werkstoffen ist ein weiterer Forschungsschwerpunkt am IfW. Zu den untersuchten Werkstoffen zählen zum einen Metalle mit ungewöhnlicher Struktur, nämlich metallische Schäume, metallische Gläser und nanoporöse Metallmembranen. Metallische Schäume haben ein hohes Potential als Leichtbauwerkstoffe, doch aufgrund ihrer besonderen Struktur unterscheidet sich ihr mechanisches Verhalten stark von dem herkömmlicher Metalle. Auch die metallischen Gläser, deren mikroskopische Struktur nicht kristallin, sondern amorph ist, haben oft ungewöhnliche Eigenschaften, deren Entwicklungspotential noch nicht in allen Aspekten bekannt ist. 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.
Darüber hinaus werden auch metallische Verbundwerkstoffe mit verbesserten mechanischen Eigenschaften untersucht. Theoretisch erwartet man, dass sich durch Kombination zweier verschiedener Verfestigungsmechanismen Werkstoffe mit extrem hoher Kriechfestigkeit herstellen lassen. Dieses theoretische Potential soll ausgelotet und schließlich in die Praxis umgesetzt werden, wobei verschiedene prozesstechnische Probleme zu lösen sind.

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).
Weiterhin wird die Stabilität von verformten und anderen metastabilen Strukturen und deren Umwandlung in stabile Formen mittels kalorischer Methoden intensiv untersucht.
Das sogenannte EBSP-Verfahren schliesslich dient dazu, die Verformung von polykristallinen Materialien detailliert zu untersuchen.

Schadensanalyse und Bruchmechanismen

Das Institut und die ihm angegliederte Materialprüfstelle verfügen 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.