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Legierung Hochentropie-Legierung widersteht extremen Drücken und Temperaturen

| Redakteur: Tobias Hüser

Forscher der ETH Zürich haben eine neue Klasse an Legierungen in Form von dünnen Filmen und feinsten Säulen hergestellt. Das Material eignet sich für Anwendungen bei hohen Drücken und Temperaturen. Interessant ist es u.a. für den Bau von Sensoren, die bei Extrembedingungen funktionieren müssen

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Mit einem dünnen Film der Hochentropie-Legierung beschichtete Silizium-Scheibe im Labor der ETH-Forscher.
Mit einem dünnen Film der Hochentropie-Legierung beschichtete Silizium-Scheibe im Labor der ETH-Forscher.
(Bild: Fabio Bergamin / ETH Zürich)

Zürich/Schweiz – Traditionell bestehen Legierungen aus einem Hauptmetall, in welches in einem Schmelzprozess kleinere Mengen eines oder weniger anderer Elemente gemischt werden. Anders ist die Zusammensetzung bei sogenannten Hochentropie-Legierungen. Seit wenigen Jahren steht diese neue Klasse von Legierungen bei Materialwissenschaftlern hoch im Kurs, denn sie weisen eine hohe Festigkeit auf und sind temperatur- sowie korrosionsbeständig. Hochentropie-Legierungen bestehen aus meist vier oder fünf metallischen Elementen.

Forscher unter der Leitung von Ralph Spolenak, Professor für Nanometallurgie an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich, stellten nun aus einer Hochentropie-Legierung einen drei Mikrometer dünnen Film her und frästen in diesen eine Struktur aus Säulen mit einem Durchmesser von 100 nm bis einem Mikrometer. Die Legierung besteht aus gleichen Anteilen der Elemente Niob, Molybdän, Tantal und Wolfram.

Feinstruktur verändert Eigenschaften

Wie sich zeigte, haben diese „Mikro-Säulen“ aus der Hochentropie-Legierung ganz besondere Eigenschaften: Sie sind zehnmal fester als ein Block aus demselben Material. Außerdem lassen sich die Säulen unter hohen Drücken um bis zu rund einem Drittel ihrer Länge stauchen ohne dabei spröde zu werden oder zu brechen – diese Verformbarkeit bezeichnen Wissenschaftler als Duktilität.

Und schließlich ist das Material auch enorm temperaturbeständig: Es überstand drei Tage bei 1100 °C ohne wesentliche Änderung der äußeren und inneren Struktur – ganz im Gegensatz zu reinem Wolfram, welches die Wissenschaftler als Kontrolle ebenfalls der Hitzebehandlung unterzogen. Mikro-Säulen der Hochentropie-Legierung schnitten nach der Hitzebehandlung in Bezug auf Festigkeit und Duktilität besser ab als solche aus reinem Wolfram. Und dies obschon die Hochentropie-Legierung grundsätzlich einen wesentlich tieferen Schmelzpunkt hat als reines Wolfram (rund 2900 gegenüber 3400 °C).

Hergestellt haben die Wissenschaftler den drei Mikrometer dünnen Film mit der Magnetron-Kathodenzerstäubung, einem in der Mikroelektronik oft verwendeten Beschichtungsverfahren. Indem Atome der erwähnten vier Elemente zerstäubt und gleichzeitig auf ein Trägermaterial gesprüht wurden, kam diese Technik erstmals zur Produktion einer Hochentropie-Legierung zum Einsatz. Mittels der Ionenfeinstrahltechnik (FIB) stellten die Wissenschaftler die Mikro-Zylinder auf der Oberfläche des Films frei.

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