Hochtemperaturlegierungen: Neuer Invar-Effekt für überlegene Stabilität

Ein Phänomen, das mit dem Invar-Effekt verwandt ist – der es magnetischen Materialien wie Nickel-Eisen-Legierungen (Ni-Fe) ermöglicht, sich bei steigender Temperatur nicht auszudehnen – wurde nun in paramagnetischen, also schwach magnetisierten Hochtemperaturlegierungen entdeckt.

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

Der Invar-Effekt war jedoch nie vollständig verstanden. Die neuen Erkenntnisse helfen, die ungewöhnlichen Hochtemperatureigenschaften spezieller Legierungen zu erklären, die in Strahltriebwerken wie nickelbasierten Superlegierungen verwendet werden. Invar hat zwei bekannte Effekte: thermische Ausdehnung und Elastizität (die Fähigkeit, sich nach dem Biegen zurückzubilden). Da beide Effekte mit dem Zusammenspiel von Temperatur und magnetischer Ordnung verknüpft sind, galten sie als spezifisch für magnetisch geordnete Legierungen.

Mithilfe quantenmechanischer Erstprinzipien-Modellierung identifizierten die Forscher, wie invariante Plastizität auch in nicht-magnetischen Legierungen auftritt, wenn auf atomarer Ebene ein strukturelles Gleichgewicht zwischen kubischen und hexagonal dichtesten Packungen besteht. Die neue Entdeckung erweitert die Palette der Invar-Phänomene und Materialzusammensetzungen mit klaren Implikationen für neue Anwendungen.