Herstellung von duktilem Metallglas auf Fe-Basis

Fe-basierte Bulk-Metallische Gläser (Fe-BMGs) stellen eine neue Klasse fortschrittlicher Materialien mit einer einzigartigen amorphen Atomstruktur dar, die das regelmäßige Muster, das in den meisten kristallinen Metallen zu finden ist, nicht aufweist. Diese Struktur verleiht ihnen eine Kombination aus hoher Festigkeit, hervorragender Abrieb- und Korrosionsbeständigkeit sowie weich magnetische Eigenschaften, die sie ideal für besonders anspruchsvolle Anwendungen machen, bei denen traditionelle Metalle möglicherweise versagen. Beispielsweise werden Fe-BMGs in der Automobilindustrie in Komponenten wie Getrieben und Antriebssträngen aufgrund ihrer überlegenen Abriebfestigkeit eingesetzt. In der Elektronik werden sie in Transformatorenkernen verwendet, um die Energieeffizienz zu steigern, während sie im biomedizinischen Bereich aufgrund ihrer Biokompatibilität für Anwendungen wie Zahnimplantate und chirurgische Instrumente vielversprechend sind. Die geringe Glasbildungseigenschaft (GFA) von Fe-BMGs, die durch konventionelles Kupferformgießen hergestellt werden, begrenzt jedoch ihre Größe auf den Millimeterbereich, was weit von einer praktisch anwendbaren Größe entfernt ist. Darüber hinaus schränkt ihre Sprödigkeit bei Raumtemperatur ihre breitere Anwendung in verschiedenen Industrien erheblich ein. Additive Fertigung (AM), allgemein bekannt als 3D-Druck, bietet eine vielversprechende Lösung, indem sie eine schichtweise Konstruktion mit schnellen Abkühlraten (10108 K/s) ermöglicht, die vollständig amorphe Fe-BMGs größeren Abmessungen und komplexen Geometrien unterstützen. AM stellt jedoch auch Herausforderungen dar, wie zum Beispiel: 1. Partielle Kristallisation in wärmebeeinflussten Zonen (HAZs) aufgrund von Temperaturgradienten; 2. Erstarrungsfehler wie Poren und Risse, die durch thermischen Stress während der schnellen Abkühlung verursacht werden. Das Projekt zielt darauf ab, unser Verständnis der Phasenbildung und Kristallisationsprozesse in Fe-BMGs unter den schnellen Abkühl- und Erwärmungsbedingungen, die typisch für AM sind, zu vertiefen. Innovative Techniken wie flash-DSC (Differential Scanning Calorimetry) werden eingesetzt, um kritische Abkühl- und Erwärmungsraten zu messen und so eine bessere Kontrolle über die Kristallisation zu ermöglichen. Durch die Optimierung von Mikrostrukturen und die Balance zwischen der amorphen Phase und kontrollierter Kristallinität soll das Projekt die mechanischen Eigenschaften der Fe-BMGs verbessern. Darüber hinaus wird sich die Forschung auf die Verfeinerung des AM- Prozesses konzentrieren, um Fehler wie Risse und Poren zu minimieren, die oft aufgrund der schnellen Abkühlung auftreten. Durch sorgfältiges Legierungsdesign und Prozessanpassungen strebt das Projekt an, neue Fe-BMGs mit verbesserter Duktilität und Zähigkeit zu entwickeln, um deren Einsatz in anspruchsvollen Anwendungen, etwa als strukturelle Werkstoffe, zu ermöglichen.