Selbstschmierende nanoskalige metallische Verbundwerkstoffe

Reibung und Verschleiß sind Phänomene, die in allen Bauteilen auftreten, die einer Relativbewegung ausgesetzt sind. Um eine einwandfreie Funktion zu gewährleisten, werden seit Jahrzehnten flüssige Schmiermittel verwendet. Die zunehmende Komplexität mechanischer Systeme und ihre immer fordernderen Betriebsumgebungen bedürfen jedoch neue technische Lösungen. So kann zum Beispiel der Einsatz von flüssigen Schmiermittel durch die Umgebungsbedingungen stark eingeschränkt sein. Flüssige Schmiermittel werden vor allem in Anwendungen bei oder nahe der Raumtemperatur eingesetzt, um ihre Degradation zu verringern. Eine weitere Herausforderung ist das Nachfüllen während des Betriebs, was zu Wartungsstopps führen kann, die den Betrieb beeinträchtigen. Eine Alternative ist die Verwendung von Festschmierstoffen in selbstschmierenden Systemen, da diese die Nachteile auf einfache Weise überwinden. Im Idealfall kann dadurch gleichzeitig die Lebensdauer der Bauteile verlängert werden. Obwohl Festschmierstoffen bereits untersucht wurden, gibt es immer noch eine große Anzahl offener Fragen, die für ihre umfassende Anwendung entscheidend sind. Die erste betrifft die Art des am besten geeigneten Schmiermechanismus. Die derzeitigen Festschmierstoffe weisen zwei sich strikt voneinander unterscheidende Hauptschmiermodi auf. Bei schichtartig aufgebauten Schmierstoffen basiert der Mechanismus auf der Grenzflächenscherung und bei faserartigen auf eine Mischung aus Rollen und Gleiten. Die zweite offene Frage bezieht sich auf die Integration des Schmierstoffs in das verwendete Metall, wobei die chemische und physikalische Reaktivität zwischen beiden Phasen für jedes einzelne System untersucht werden. Die dritte Frage bezieht sich auf die Möglichkeit, einen "Alleskönner" zu finden, der in der Lage ist, unter den verschiedensten und extremsten Bedingungen zu arbeiten, ohne selbst wesentlich verändert zu werden und die erforderliche Schmierfähigkeit beizubehalten. In diesem Projekt wird eine erste ausführliche Analyse selbstschmierender Verbundwerkstoffe durch die Kombination einer innovativen Herstellungsroute (Hochdrucktorsion) und fortschrittlichen Charakterisierungsmethoden durchgeführt. Die ausgewählten Matrixwerkstoffe sind Nickel-Basis Superlegierungen, die ihre Anwendung in extreme Umgebungen wie z.B. bei Turbinenschaufeln finden. Als Festschmierstoffe werden übliche Schichtwerkstoffe getestet (Graphit, MoS2 und WS2) und neuartigen Festschmierstoffen (Kohlenstoff-Nanoröhren und Graphen) gegenübergestellt, denen die üblichen Einsatzgrenzen der Ersteren fehlen. Nach der Herstellung werden die Verbundwerkstoffe umfassend charakterisiert, bevor und nachdem sie Gleitbedingungen in verschiedenen Umgebungen (Temperatur und Feuchtigkeit) ausgesetzt werden. Das Hauptziel des Projekts ist es, einen selbstschmierenden Verbundwerkstoff zu erhalten, der bei einer Vielzahl an Bedingungen funktioniert.

Das Projekt "Self-lubricating nanoscaled metal matrix composites" widmet sich der Entwicklung und Analyse selbstschmierender Metallmatrixverbunde, die speziell für Hochleistungskomponenten unter tribologischer Belastung konzipiert sind. Diese Verbundwerkstoffe enthalten Festschmierstoffe, die unter extremen Betriebsbedingungen wie hohen Temperaturen, hohen Lasten oder in oxidativen Umgebungen eingesetzt werden, in denen herkömmliche Flüssigschmierstoffe nur begrenzt funktionieren oder versagen. Ziel des Projekts war die Entwicklung eines Werkstoffkonzepts, das eine hohe mechanische Festigkeit und mikrostrukturelle Stabilität mit einer zuverlässigen Schmierfunktion kombiniert. Als Matrixmaterial wurde die Nickelbasis-Superlegierung Inconel 718 gewählt, die sich durch ihre thermomechanische Stabilität und Korrosionsbeständigkeit in Hochtemperaturanwendungen auszeichnet. Für die Festschmier- und Verstärkungsphasen wurden sowohl klassische schichtartige Materialien wie Graphit, MoS und WS als auch nanostrukturierte Kohlenstoffmaterialien wie Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) und Graphen-Nanopulver untersucht. Ein zentraler methodischer Ansatz war die pulvermetallurgische Herstellung, die kolloidales Mischen zur verbesserten Partikeldispergierung mit einer anschließenden Hochdruck-Torsionsumformung kombinierte. Diese Methode ermöglicht vollständiges Sintern bei Raumtemperatur sowie eine Kornfeinung bis in den Nanobereich. Dadurch konnten nanokristalline Inconel-718-Verbunde mit optimierter Partikelverteilung hergestellt werden, was für reproduzierbare Materialeigenschaften entscheidend ist. Mechanische Tests zeigten außergewöhnlich hohe Zugfestigkeiten von über 2,1 GPa für nanokristallines Inconel 718, während Graphit-verstärkte Verbunde sogar Werte von bis zu 2,4 GPa erreichten und gleichzeitig eine duktilere Verformung aufwiesen. Hochtemperaturstudien, die mittels in-situ-Röntgenbeugung und ergänzenden Messverfahren durchgeführt wurden, offenbarten verschiedene temperaturinduzierte Prozesse in den Verbunden. In kohlenstoffbasierten Systemen wurde die Bildung von Karbiden (NbC und M23C6) beobachtet, die die Bildung von -Phasen, Erholung, Rekristallisation und thermische Dehnung unterdrückten. Gleichzeitig zeigte sich eine hohe thermische Mikrostrukturstabilität: Der nanokristalline Zustand blieb bis zu 700 C stabil und wies selbst nach Langzeitglühen bei 900 C eine Korngröße von unter 500 nm auf. Die tribologischen Untersuchungen zeigten, dass der Typ des Schmierstoffs entscheidend für die Leistung ist. Während konventionelle Festschmierstoffe in Inconel 718 kaum Selbstschmierung bewirkten, führten CNTs zu einer fünffachen Reduktion der Reibung bei gleichzeitig mildem Verschleiß. Dies wird auf die Bildung einer stabilen, schmierenden Schicht zurückgeführt. Die Ergebnisse des Projekts liefern wertvolle Grundlagen für die Entwicklung wartungsarmer und hochbelastbarer Komponenten, die insbesondere in der Luft- und Raumfahrt, der Energietechnik und anderen Hochtemperaturanwendungen von Bedeutung sind.