Feinabstimmung von Legierungen für Hochtemperaturanwendungen

In paramagnetischen oder schwach magnetisierten Hochtemperaturlegierungen wurde ein Phänomen im Zusammenhang mit dem Invar-Effekt entdeckt, der es magnetischen Materialien wie Nickel-Eisen-Legierungen (Ni-Fe) ermöglicht, sich bei steigender Temperatur nicht auszudehnen.

Die Forschung, die eine allgemeine Theorie zur Erklärung des neuen Invar-Effekts umfasst, verspricht, das Design von Hochtemperaturlegierungen mit außergewöhnlicher mechanischer Stabilität voranzutreiben. Kurz für „invariant“, Invar-Plastizität ermöglicht es magnetisch ungeordneten Ni-Fe-Legierungen, ein praktisch invariantes Verformungsverhalten über einen weiten Temperaturbereich zu zeigen, was sie ideal für Turbinen und andere mechanische Anwendungen bei extrem hohen Temperaturen macht.

Der Invar-Effekt wurde jedoch nie vollständig verstanden. Die neuen Erkenntnisse helfen, die besonderen Hochtemperatureigenschaften von speziellen Legierungen zu erklären, die in Strahltriebwerken verwendet werden, wie z. B. Superlegierungen auf Nickelbasis. Invar hat zwei bekannte Wirkungen:Wärmeausdehnung und Elastizität (die Fähigkeit, nach dem Biegen zurückzufedern). Da diese beiden Effekte mit dem Wechselspiel zwischen Temperatur und magnetischer Ordnung verknüpft sind, gelten sie als spezifisch für magnetisch geordnete Legierungen.

Unter Verwendung von quantenmechanischen First-Principles-Modellen identifizierten die Forscher, wie invariante Plastizität auch in nichtmagnetischen Legierungen auftritt, wenn auf atomarer Ebene ein strukturelles Gleichgewicht zwischen kubischen und hexagonalen dicht gepackten Strukturen besteht. Die neue Erkenntnis erweitert die Palette der Invar-Phänomene und Materialzusammensetzungen mit klaren Implikationen für neue Anwendungen.