Schaufelräder in modernen Flugzeugturbinen sind extremen Bedingungen ausgesetzt, was ebenso extreme Anforderungen an das Material stellt. Nickelbasis-Superlegierungen, vornehmlich zusammengesetzt aus Nickel und Aluminium, zeichnen sich durch besonders große Festigkeit bei hohen Temperaturen von rund 800° C aus und sind daher hervorragend für die Verarbeitung im Flugzeugbau geeignet. "Was die Legierung so hart macht, sind kleine geordnete Inseln, die so genannten Ausscheidungen. Für uns ist es interessant, den Wachstumsprozess der Ausscheidungen verstehen zu lernen, damit in der Folge die Materialeigenschaften gezielt beeinflusst werden können", erklärt Dr. Lorenz-Mathias Stadler, der sich diesen Phänomenen auch schon im Zuge seiner Dissertation, mit der er im März 2006 sein Studium sub auspiciis beendete, gewidmet hat. Gemeinsam mit Dipl.-Phys. Bastian Pfau erforschte er unter der Leitung von Univ.-Prof. Dr. Gero Vogl insbesondere die späten Wachstumsstadien der Ausscheidungen, in denen die Strukturen immer gröber werden.

Röntgens Zukunft

Bei den Forschungen machten sich Stadler und Pfau neueste Strahlenquellen, die so genannten Synchrotrons, zunutze. Das sind Röntgenstrahlen mit extrem hoher Intensität – Physiker nennen das "Brillanz" –, wodurch die Bewegung der Atome sichtbar gemacht werden kann. Die drei wichtigsten Synchrotronanlagen befinden sich derzeit in Grenoble/Frankreich, Japan und den USA. Österreich ist seit 2002 Jahren offizielles Mitglied bei der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble, wo die Untersuchungen vorgenommen wurden. "Die kohärente Röntgenstrahlung kommt der Laserstrahlung sehr nahe und machte es uns möglich, das Zusammenwachsen der Ausscheidungen praktisch in Echtzeit abzubilden", sagt Stadler.

Messungen rund um die Uhr

Während des Aufenthaltes in Grenoble führten Stadler, Pfau und zwei weitere Kollegen rund um die Uhr sechs Tage lang Messungen durch. Eine Messung dauerte rund vier Stunden, in der ein kleines Nickel-Aluminium-Plättchen pausenlos mit Röntgenstrahlen beschossen wurde. Jede Sekunde wurden Aufnahmen des Plättchens gemacht, so dass alle Fluktuationen in der Probe dokumentiert und in der Folge analysiert werden konnten.

Den beiden Materialphysikern gelang es zunächst nachzuweisen, dass sich die Ausscheidungen in plattenförmigen Schichten anordnen. Auch konnten Sie verifizieren, dass sich die Abfolge dieser Schichten im Zeitverlauf de facto nicht verändert. Darüber hinaus war es erstmals möglich zu zeigen, dass sich innerhalb der Schichten die Ausscheidungen bewegen, aufeinander treffen und in der Folge sogar miteinander verschmelzen können. "Es ist energetisch günstiger, wenige große Ausscheidungen zu haben als viele kleine. Deshalb kommt es zu diesem Zusammenwachsen. Für das Verständnis einer technisch so interessanten Legierung war dieser Nachweis im Zuge unserer Studie sehr wichtig", so Stadler.

Internationale Netzwerke

Die Forschungsarbeiten von Stadler und Pfau wurden durch das "Materials Dynamics Network" des BMBWK, durch ein FWF-Projekt (P17775-N02) und über ein Forschungsprojekt der EU (DYNASYNC) finanziell unterstützt. Sie waren Inhalt der Diplomarbeit von Bastian Pfau, die in Kooperation mit der TU Dresden durchgeführt wurde.

Literaturhinweis:

B. Pfau, L.-M. Stadler, B. Sepiol, R. Weinkamer, J. W. Kantelhardt, F. Zontone, G. Vogl: "Coarsening dynamics in elastically anisotropic alloys", in: Physical Review B 73 , 180101(R), 2006.