Mit einer Einkristallhärte von 45 GPa stellt Borsuboxid (B6O) einen aussichtsreichen Kandidaten für die Entwicklung neuartiger, superharter und verschleißbeständiger Strukturwerkstoffe dar, dessen Verwendungspotential derzeitig sowohl aufgrund eines schwieriges Verdichtungsverhaltens als auch der geringen Bruchzähigkeit polykristalliner B6O-Werkstoffe limitiert ist. Motiviert durch einen möglichen Einsatz von B6O als kosteneffektive Alternative zu aktuell etablierten, hochdrucksynthetisierten Werkstoffen auf Basis von Diamant und kubischem Bornitrid (c-BN), widmet sich die vorliegende Arbeit diesen Defiziten und untersucht auf Grundlage eines unter Normaldruckbedingungen synthetisierten B6O-Pulvers die Herstellung und Eigenschaften keramischer B6O-Werkstoffe mit flüssigphasenbildenden Al2O3/Y2O3-Sinteradditiven (Gesamtadditivgehalt: 2 – 15 Vol.-%; Al2O3/(Al2O3+Y2O3): 0,05 – 1) unter Anwendung verschiedener Verdichtungstechnologien (Feldaktivierte Sintertechnologie/Spark Plasma Sintern, FAST/SPS; heißisostatisches Pressen, HIP; kubische Vielstempel-Hochdruckpresse, KVP). Zusätzlich wurde eine nicht-reaktive und eine reaktive Präparationsroutine für die Herstellung von B6O/TiB2-Kompositen mit variablen TiB2-Gehalten von 6 – 57 Vol.-% evaluiert. Den Schwerpunkt bildeten dabei die Charakterisierung ausgewählter mechanischer und thermischer Eigenschaften, wie sie für den Einsatz in Schneid- und Verschleißprozessen relevant sind und deren Korrelation mit der Phasen- und Gefügeausbildung als Grundlage für eine weiterführende Optimierung der Werkstoffeigenschaften. Es konnte gezeigt werden, dass sowohl oxidische Sinteradditive (bevorzugter Gesamtadditivgehalt ≤ 3 Vol.-%) als auch die Präparation von B6O/TiB2-Kompositen (bevorzugt: reaktive Herstellungsroutine) vielversprechende Ansätze für die reproduzierbare Herstellung vollständig verdichteter B6O-Werkstoffe mit einer gesteigerten Bruchzähigkeit von 3 – 4 MPa√m (SEVNB) bei gleichzeitig hohen Härten bis 36 GPa (HV0,4) bzw. 28 GPa (HV5), einer Festigkeit bis 540 MPa und einem E-Modul von 400 – 500 GPa darstellen. Die Hochtemperaturhärte (HV5) der Werkstoffe übersteigt ab 600 °C teilweise die Warmhärte eines ebenfalls untersuchten, kommerziellen c-BN-Referenzmaterials. Wärmeleitfähigkeiten bis 20 W/mK (Raumtemperatur) bzw. 17 W/mK (1000 °C) und thermische Ausdehnungskoeffizienten bis 1000 °C von 5,76 – 6,54×10 6/K wurden ermittelt. Der anhand eines Reibradtests untersuchte Verschleißwiderstand erreicht das Niveau von kommerziellem Borcarbid (B4C). Damit weisen B6O-Werkstoffe insgesamt ein vergleichbares Eigenschaftsprofil zu (isostrukturellen) B4C-Werkstoffen auf, ordnen sich jedoch meist deutlich unterhalb der Leistungsfähigkeit kommerzieller c-BN-Materialien ein. Die Gegenüberstellung verschiedener Sintertechnologien unter Berücksichtigung der Reproduzierbarkeit des Verdichtungsprozesses, der Homogenität der resultierenden Gefüge, der physikalischen Eigenschaften als auch der Wirtschaftlichkeit privilegiert insbesondere die Verdichtung mittels HIP und FAST/SPS (für B6O mit oxidischen Sinteradditiven nur für geringe Additivgehalte) als vielversprechendste Verfahren für eine mögliche Kommerzialisierung von B6O. Eine abschließende Bewertung des Anwendungspotentials von B6O-Werkstoffen erfordert weiterführende Untersuchungen zu den Mechanismen, die zur Erniedrigung der Härte von polykristallinem B6O-Werkstoffen gegenüber B6O-Einkristallen sowie dem sprunghaften Anstieg der Bruchzähigkeit mit geringen Additivgehalten und das Erreichen eines Plateauwertes führen. Hierbei zeichnen sich eine veränderte B6O-Struktur (Kristallchemie/Defekte) und/oder die Beschaffenheit der Korngrenzen als wahrscheinlichste Ursachen ab, deren Rolle auf Grundlage der zur Verfügung stehenden Methodik im Rahmen dieser Arbeit nicht vollständig aufgeklärt werden konnte.

The glass-forming Ti75Zr10Si15 alloy is regarded as a potential new material for implant applications due to its composition of non-toxic, biocompatible elements and many interesting mechanical properties. The effects of partial substitution of 15 at.-% Ti by Nb on the microstructure and mechanical behavior of the alloy have been investigated. The limited glass-forming ability (GFA) of the Ti75Zr10Si15 alloy results for melt-spun ribbons mainly in nanocomposite structures with β-type nanocrystals being embedded in a glassy matrix. Addition of Nb increases the glass-forming ability. Raising the overheating temperature of the melt prior to melt-spinning from 1923 K to 2053 K yields a higher amorphous phase fraction for both alloys. A decrease of hardness (H), ultimate stress and reduced Young’s modulus (Er) is observed for Ti60Zr10Nb15Si15 rods as compared to Ti75Zr10Si15 ones. This is attributed to an increase of the fraction of the β-type phase. The melt-spun ribbons show an interesting combination of very high hardness values (H) and moderate reduced elastic modulus values (Er). This results in comparatively very high H/Er ratios of >0.075 which suggests these new materials for applications demanding high wear resistance. The corrosion and passivation behavior of these alloys in their homogenized melt-spun states have been investigated in Ringer solution at 37°C in comparison to their cast multiphase crystalline counterparts and to cp-Ti and β-type Ti-40Nb. All tested materials showed very low corrosion rates. Electrochemical and surface analytical studies revealed a high stability of their passive states in a wide potential range. The addition of Nb does not only improve the glass-forming ability and the mechanical properties but also supports a high pitting resistance even at extreme anodic polarization. With regard to the corrosion properties, the Nb-containing nearly single-phase glassy alloy can compete with the β-type Ti-40Nb alloy. In addition, it has been demonstrated that thermal oxidation could be well applied to Ti75Zr10Si15 and Ti60Zr10Nb15Si15 melt-spun ribbons. Thermal oxidation treatment is one of the simple and cost-effective surface modification methods to improve the surface characteristics of these alloys. In the first tests, ribbon samples of the ternary and the quaternary alloy which were oxidized at 550°C in synthetic air showed suitable fundamental properties for implant applications, i.e. high hardness, good wettability and hydroxyapatite-forming ability after 10 days. All these properties recommend the new glass-forming alloys for application as wear- and corrosion-resistant coating materials for implants. / Die glasbildende Legierung Ti75Zr10Si15 wird wegen ihrer biokompatiblen Zusammensetzung ohne toxische Elemente und auf Grund interessanter mechanischer Eigenschaften als potentielles neues Implantatmaterial betrachtet. Es wurden 15 at.-% Ti durch Nb partiell substituiert und die Effekte auf die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften der Legierung untersucht. Auf Grund der eingeschränkten Glasbildungsfähigkeit von Ti75Zr10Si15 bestehen die schmelzgeschleuderten Bänder dieser Legierung hauptsächlich aus Nanokomposit-Strukturen mit β-phasigen Nanokristallen in einer glasartigen Matrix. Die Zugabe von Nb steigert die Glasbildungsfähigkeit. Das Anheben der Überhitzungstemperatur der Schmelze vor dem Schmelzschleudern von 1923 auf 2053 K führt für beide Legierungen zu einem höheren Anteil amorpher Phase. Es wird bei der Legierung Ti60Zr10Nb15Si15 im Vergleich zur Ti75Zr10Si15-Legierung eine Abnahme der Härte (H), Bruchfestigkeit und ein reduzierter E-Modul (Er) beobachtet. Dies wird mit dem Anstieg des beta-Phasenanteils erklärt. Die schmelzgeschleuderten Bänder zeigen eine interessante Kombination aus sehr hoher Härte und moderaten E-Modul Werten (Er). Dies führt zu vergleichsweise sehr hohen H/Er-Verhältnissen von >0,075, wodurch diese Materialien für Anwendungen mit hohen Verschleißanforderungen geeignet sind. Das Korrosions- und Passivierungsverhalten dieser Legierungen in ihrem homogenisierten schmelzgeschleuderten Zustand wurde in Ringer-Lösung bei 37°C untersucht und mit dem gegossenen vielphasigen kristallinen Zustand dieser Legierungen sowie mit cpTi und beta-Typ Ti-40Nb verglichen. Alle untersuchten Materialien zeigten sehr niedrige Korrosionsraten. Elektrochemische Studien und Oberflächenanalysen belegen eine hohe Stabilität der Passivfilme in einem weiten Potentialbereich. Die Zugabe von Niob verbessert nicht nur die Glasbildungsfähigkeit und die mechanischen Eigenschaften, sondern erhöht weiterhin die Lochfraßbeständigkeit, selbst bei stark anodischer Polarisation. Bezüglich der Korrosionseigenschaften konkurriert die Nb-haltige fast einphasige glasartige Legierung mit β-phasigem Ti-40Nb. Weiterhin wurde gezeigt, dass an schmelzgeschleuderten Bändern der Legierung Ti75Zr10Si15 und Ti60Zr10Nb15Si15 eine thermische Oxidation erfolgreich durchgeführt werden konnte. Die thermische Oxidation ist eine der einfachsten und kosteneffektivsten Möglichkeiten der Oberflächenmodifikation um die Eigenschaften der Oberflächen dieser Legierungen zu verbessern. In den ersten Tests zeigten die Bänder-Proben der ternären und der quaternären Legierung, die bei 550°C in synthetischer Luft oxidiert wurden, entsprechende Eigenschaften für Implantat-Anwendungen, d.h. hohe Härte, gute Benetzbarkeit und die Fähigkeit nach 10 Tagen Hydroxylapatit auf der Oberfläche zu bilden. Alle zuvor genannten Eigenschaften machen diese neuen glasbildenden Legierungen zu geeigneten Materialien für die Anwendung als verschleiß- und korrosionsbeständige Beschichtung für Implantate.

Ti-Nb alloys are characterized by a diverse metallurgy which allows obtaining a wide palette of microstructural configurations and physical properties via careful selection of chemical composition, heat treatment and mechanical processing routes. The present work aims to expand the current state of knowledge about martensite forming Ti-Nb alloys by studying 15 binary Ti-c_{Nb}Nb (9wt.% ≤ c_{Nb} ≤ 44.5wt.%) alloy formulations in terms of their structural and mechanical properties, as well as their thermal stability. The crystal structures of the martensitic phases, α´ and α´´, and the influence of the Nb content on the lattice (Bain) strain and on the volume change related to the β → α´/α´´ martensitic transformations are analyzed on the basis of Rietveld-refinements. The magnitude of the shuffle component of the β → α´/α´´ martensitic transformations is quantified in relation to the chemical composition. The largest transformation lattice strains are operative in Nb-lean alloys. Depending on the composition, both a volume dilatation and contraction are encountered and the volume change may influence whether hexagonal martensite α´ or orthorhombic martensite α´´ forms from β upon quenching. The mechanical properties and the deformation behavior of martensitic Ti-Nb alloys are studied by complementary methods including monotonic and cyclic uniaxial compression, nanoindentation, microhardness and impulse excitation technique. The results show that the Nb content strongly influences the mechanical properties of martensitic Ti-Nb alloys. The elastic moduli, hardness and strength are minimal in the vicinity of the limiting compositions bounding the interval in which orthorhombic martensite α´´ forms by quenching. Uniaxial cyclic compressive testing demonstrates that the elastic properties of strained samples are different than those of unstrained ones. Also, experimental evidence indicates a deformation-induced martensite to austenite (α´´ → β) conversion. The influence of Nb content on the thermal stability and on the occurrence of decomposition reactions in martensitic Ti-Nb alloys is examined by isochronal differential scanning calorimetry, dilatometry and in-situ synchrotron X-ray diffraction complemented by transmission electron microscopy. The thermal decomposition and transformation behavior exhibits various phase transformation sequences during heating into the β-phase field in dependence of composition. Eventually, the transformation temperatures, interval, hysteresis and heat of the β ↔ α´´ martensitic transformation are investigated in relation to the Nb content. The results obtained in this study are useful for the development and optimization of β-stabilized Ti-based alloys for structural, Ni-free shape memory and/or superelastic, as well as for biomedical applications. / Ti-Nb Legierungen zeichnen sich durch eine vielfältige Metallurgie aus, die es nach sorgfältiger Auswahl der chemischen Zusammensetzung sowie der thermischen und mechanischen Prozessierungsroute ermöglicht eine große Bandbreite mikrostruktureller Konfigurationen und physikalischer Eigenschaften zu erhalten. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es den gegenwärtigen Wissensstand über martensitbildende Ti-Nb Legierungen zu erweitern. Zu diesem Zweck werden 15 binäre Ti-c_{Nb} Nb (9 Gew.% ≤ c_{Nb} ≤ 44.5 Gew.%) Legierungen hinsichtlich ihrer strukturellen und mechanischen Eigenschaften sowie ihrer thermischen Stabilität untersucht. Die Kristallstrukturen der martensitischen Phasen, α´ und α´´, sowie der Einfluss des Nb-Gehalts auf die Gitterverzerrung (Bain-Verzerrung), auf die Verschiebungswellenkomponente (Shuffle-Komponente) und auf die Volumenänderung der martensitischen β → α´/α´´ Transformationen werden anhand von Rietveld-Verfeinerungen analysiert. In Abhängigkeit des Nb-Gehalts tritt entweder eine Volumendilatation oder -kontraktion auf, die bestimmen könnte ob hexagonaler Martensit α´ oder orthorhombischer Martensit α´´ aus β bei Abkühlung gebildet wird. Die mechanischen Eigenschaften und das Verformungsverhalten martensitischer Ti-Nb Legierungen werden mit einer Reihe komplementärer Methoden (monotone und zyklische einachsige Druckversuche, Nanoindentation, Mikrohärte, Impulserregungstechnik) untersucht. Die Ergebnisse zeigen durchgehend, dass die mechanischen Eigenschaften martensitischer Ti-Nb Legierungen stark vom Nb-Gehalt beeinflusst werden. Die mechanischen Kennwerte sind minimal in der Nähe der Zusammensetzungen, innerhalb derer β → α´´ bei Abkühlung auftritt. Aus Druckversuchen geht hervor, dass die elastischen Eigenschaften verformter Proben verschieden zu denen unverformter sind. Die experimentellen Ergebnisse weisen außerdem auf eine verformungsinduzierte Umwandlung von Martensit in Austenit (α´´ → β) hin. Der Einfluss des Nb-Gehalts auf die thermische Stabilität und das Auftreten von Zerfallsreaktionen in martensitischen Ti-Nb Legierungen wird anhand von dynamischer Differenzkalorimetrie, Dilatometrie, und in-situ Synchrotronröntgenbeugung in Kombination mit Transmissionselektronenmikroskopie untersucht. Das thermische Zerfalls- und Umwandlungsverhalten ist durch das Auftreten einer Vielzahl von in Abhängigkeit des Nb-Gehalts unterschiedlichen Phasentransformationssequenzen gekennzeichnet. Abschließend werden die Transformationstemperaturen und -wärmen, das Transformationsinterval und die thermische Hysterese der martensitischen β ↔ α´´ Umwandlung untersucht. Die Ergebnisse dieser Arbeit sind für die Entwicklung und Optimierung β-stabilisierter Ti-Legierungen für strukturelle und biomedizinische Anwendungen sowie Ni-freier Komponenten, die Formgedächtniseffekt und/oder Superelastizität aufweisen, von Nutzen.

Etwa 27000 Flugzeuge durchqueren täglich den Luftraum über Europa. Dieser weiter steigende Flugverkehr erfordert neue Richtlinien für die Luftfahrzeuge. Im Besonderen stehen CO2- und NOX-Emission, Kerosinverbrauch und Lärmbelastung unter Optimierungsbedarf. Diese Anforderungen wurden bis 2050 vom Advisory Council for Aerospace Research in Europe (kurz: ACARE) festgelegt und werden wissenschaftlich unterstützt [3, 4]. Um diese Ziele zu erreichen, gibt es verschiedene Forschungsprogramme, Clean Sky ist ein EU-Technologieprogramm davon. In diesem Projekt werden sechs Demonstrator-Programme entwickelt, von denen MTU Aero Engines eines gestaltet. Im Rahmen dieses Projektes wurde eine Weiterentwicklung des Getriebefan (Geared Turbofan-GTF) erreicht, bei dem Fan und Niederdruckturbine durch ein Getriebe voneinander entkoppelt sind. Durch die optimierte Drehzahl beider Komponenten (vergrößerter Fan - langsamer, Niederdruckturbine (LPT) - schneller) wird die Turbinenleistung gesteigert und gleichzeitig die Geräuschemission minimiert. Entwickelt wurde der GTF von Pratt & Whitney in Kooperation mit MTU Aero Engines. Herkömmliche Varianten sehen vor, dass die Niederdruckturbine u.a. den Fan antreibt und zwar nur so schnell, dass der äußere Radius des Fans die zulässige Geschwindigkeit nicht überschreitet. Die herkömmlich verwendeten Nickelbasislegierungen in der Niederdruckturbine haben mit 8 g/cm3 eine zu hohe Dichte um einige Anforderungen im ACARE wirtschaftlich erfüllen zu können. Bereits 1967 hat die US Airforce das große Potential zur Gewichtsreduzierung durch Titanaluminid-Legierungen (TiAl-Legierungen) mit einer Dichte von rund 4 g/cm3 im Hochtemperaturbereich der Flugzeugtriebwerke erkannt. Zwischen 1980 und 1990 entwickelte das General Electric-Forschungscenter die gamma-TiAl-Legierung Ti-48Al-2Cr-2Nb, welche als erste kommerzielle Titanaluminidlegierung in der Niederdruckturbine von Flugzeugtriebwerken eingesetzt wurde. Eine weitere Legierung dieser Werkstoffgruppe kam erst ca. 15 Jahre später zum Einsatz, die TNM-Legierung. Wie man an diesem Beispiel sehen kann, dauert die Integration neuer Werkstoffe in der Luftfahrt aufgrund der notwendigen Vorversuche und Sicherheitsaspekte teilweise 20 Jahre. Seit September 2014 kommt im Triebwerk PW1100G GTF von Pratt & Whitney die geschmiedete Version der TNM-Legierung zum Einsatz. MTU Aero Engines AG München baut hierfür die Niederdruckturbine. Durch die hervorragenden Hochtemperatureigenschaften der gamma-TiAl-Legierungen wie z.B. thermische Stabilität der Mikrostruktur, Resistenz gegen Titanfeuer und hohe spezifische Fes-tigkeit, konnten sich die Titanaluminide in Konkurrenz zu den Nickelbasislegierungen sehr gut platzieren. Deswegen werden die beiden gamma-TiAl-Legierungen (Ti-48Al-2Cr-2Nb, TNMTM) bereits in den letzten Stufen der Niederdruckturbine eingesetzt. Ein Nachteil der gamma-Titanaluminide ist die begrenzte Oxidationsbeständigkeit über 750 °C, wodurch das Einsatzfeld als Hochtemperaturwerkstoff stark begrenzt wird. Um das Anwen-dungspotential der gamma-Titanaluminide weiter zu steigern und auch bei Temperaturen über 750 °C einzusetzen, ist eine Steigerung der Oxidationsbeständigkeit notwendig. Die Oxidationsbeständigkeit kann durch das Aufbringen von Oxidationsschutzschichten wie z.B. Al2O3 erreicht werden. Welche neben der Korrosionsbeständigkeit auch die thermisch-mechanischen Anforderungen des Substrat-Schicht-Verbundes sicherstellen müssen. Zur Erhöhung der Temperaturbelastbarkeit von gamma-TiAl-Schaufeln können zur thermischen Isolation keramische Wärmedämmschichten (WDS) aufgebracht werden. Aufgrund der WDS können höhere Prozesstemperaturen realisiert und die Lebensdauer des Grundwerkstoffs verlängert werden. Die Lebensdauer der Wärmedämmschichten und das Betriebsverhalten werden unter anderem durch eine gute Haftung auf dem Untergrund, eine niedrige Wärmeleitfähigkeit und einen thermisch stabilen Phasenaufbau bestimmt. Die Kombination aus Oxidationsschutz und Wärmedämmung wird bereits für Nickelbasislegierungen in der Brennkammer und Hochdruckturbine der Flugzeugtriebwerke eingesetzt. Um gamma-Titanaluminide in weitere Stufen der Niederdruckturbine oder Hochdruckturbine einzubringen, müssen diese Temperaturen von mindestens 900 °C aushalten und erfordern ebenso Beschichtungen zum Oxidations- und Wärmeschutz. Diese Schutzschichten finden für gamma-Titanaluminide bisher jedoch noch keine Anwendung.

Um die Nanomaterialien bei keramischen Formgebungsprozessen verarbeiten zu können, stellt die nasse Homogenisierung, Dispergierung und die Granulierung eine wichtige Grundlage dar. Durch die organischen Additive, verschiedenen Feststoffgehalte der Suspensionen und Granulierungsverfahren lassen sich die Strukturen, Porositäten und Festigkeiten der Einzelgranalien beeinflussen. Es besteht ein direkter Zusammenhang zwischen den Einzelgranalien-Eigenschaften und dem Granulathaufwerk. Diese Granulateigenschaftskorrelationen bei den untersuchten Sprüh-Gefrier-Granulaten und Sprühgranulaten spielen eine wichtige Rolle für die optimale technologische Verarbeitung der Granulate als Pressgranulat und als Instantgranulat. Sowohl für ein defektärmeres Gefüge im Presskörper als auch für die vollständige Redispergierbarkeit der Granulate sind die lockeren Sprüh-Gefrier-Granalien mit niedrigen Einzelgranalienfestigkeiten und hohen Einzelgranalienporositäten vorteilhaft. Es konnte gezeigt werden, dass eine qualitative Maßstabübertragung der Sprüh-Gefrier-Granulierung vom Labor in eine Technikums- oder auch großtechnische Anwendung prinzipiell möglich ist.

Gerade in Hinblick auf die Kombination aus hervorragender Festigkeit, relativ guter Zähigkeit und Dauerfestigkeit sowie beachtlicher Verschleißbeständigkeit macht bainitisches Gusseisen mit Kugelgrafit und dabei besonders das ADI (Austempered Duktile Iron) durch sein ausferritisches Gefüge seine Vorteile gegenüber Gusseisenwerkstoffen insbesondere Gusseisen mit Kugelgraphit und auch Stahlguss deutlich. Die konventionelle Herstellung von ADI erfolgt über ein Austenitisieren und ein anschließendes Abschrecken und Halten im Salzbad. Die Salzbadbehandlung stellt einen technologisch und ökologisch problematischen Prozess dar. Im Rahmen dieser Arbeit wurde im Labormaßstab eine neue Technologie, die auf dem Einfluss des Nickels auf die Martensitstarttemperatur des Gusseisens und auf seinen zahlreichen positiven Wirkungen basiert, zur alternativen Herstellung von ausferritischem Gusseisen mit Kugelgraphit erforscht. Des Weiteren wurde der Einfluss von erhöhten Nickelzusätzen auf die mechanischen Eigenschaften des nach konventioneller Wärmebehandlung im Salzbad hergestellten bainitischen Gusseisens mit Kugelgraphit untersucht. Als Ergebnis ergibt sich eine deutliche Reduzierung der Ms-Temperatur bis unter 100°C und damit die Möglichkeit einfacher, wirtschaftlicher und ökologischer Fertigung. Jedoch zeigte sich auch ein Einfluss des Nickels auf die erreichbaren Eigenschaften, der ggf. für die Anwendung berücksichtigt werden muss.

Das Ziel dieser Arbeit bestand in der Entwicklung eines Werkstoffes auf Basis der Legierung AlSi13,5Mg9,5 (=Al-15Mg2Si-8Si), die sich durch ein verbessertes Verschleißverhalten, geringere thermische Ausdehnung und geringere Dichtewerte auszeichnet. Eine wesentliche Aufgabe der Arbeit bestand in der Einstellung bester mechanischer Eigenschaften durch die Feinung der Primär-Phase (Mg2Si) sowie durch Mikrolegieren. Ausbleibende Resultate begründeten die Wahl einer angepassten Legierungszusammensetzung AlMg8,6Si6,4 (=Al-14Mg2Si-1Si). Versuche zur Eigenschaftsoptimierung (Mikrolegieren, Wärmebehandlung) zeigten neben der Ermittlung der gießtechnischen Eigenschaften die spezifischen Legierungscharakteristika auf. Die Verarbeitung des optimierten Werkstoffes mit verschiedenen Verfahren machte die Abhängigkeit der Ausbildung der mechanischen Eigenschaften sowie des Gefüges deutlich. Die Untersuchung der thermo-physikalischen Eigenschaften sowie die Analyse der Wechselwirkungen zwischen Risswachstum und Gefüge runden die Beschreibung des Eigenschaftsprofiles ab.

Beim Flammspritzen von Mischungen im System Al2O3-TiO2-ZrO2 treten vielfältige Effekte auf. Es kommt z.B. zur Ausbildung eines amorphen Anteils, der in Form von amorphen Sublamellen, dem primären amorphen Anteil, und in dendritisch geprägten Bereichen, dem sekundären amorphen Anteil im Gefüge vorliegt. Dieser beeinflusst die mechanischen Eigenschaften deutlich. Bei einer Temperaturbehandlung entstehende Ausscheidungen von ZrO2 oder verschiedenen Zirkoniumtitanaten beeinflussen die mechanischen Eigenschaften ebenfalls signifikant.

Zur Herstellung von Stabstahl der Sorte 15MnCrMoV4-8 ist die thermomechanische Behandlung erprobt worden. Diese erfolgte in Kombination mit der kosten- und energiesparenden Wärmebehandlung aus der Walzhitze. Dabei wurde besondere Aufmerksamkeit der chemischen Zusammensetzung gewidmet. Sie wird aus der Sicht kostenintensiver Legierungselemente, wie sie in Kombination mit Umformung und Abkühlung zum Erreichen eines mechanischen Eigenschaftsprofils führen, betrachtet. Das erforderliche Niveau der mechanischen Eigenschaften ist aus der Anwendung dieser Stahlsorte für die Fertigung von Pumpenstangen aus dem Bereich der Ölfördernden Industrie abgeleitet worden. Bei den entwickelten und erprobten Herstellungstechnologien haben ein Teil der Stahlstäbe der gewählten Legierungen das geforderte Eigenschaftsniveau von Halbzeugen für die ölfördernde Industrie erreicht. Ein Teil davon hat sogar das Eigenschaftsprofil einer höheren Festigkeitsklasse, die zu Gewichts- und Energieeinsparungen führt. Die angestrebte Lebensdauer, ermittelt durch Schwingfestigkeitstests unter atmosphärischen Bedingungen sowie im korrosiv-wässrigen 3%NaCl-Medium, ist bei fast allen untersuchten Werkstoffen erreicht worden.

Es wurden die Zusammenhänge zwischen den Herstellungsbedingungen und dem nanostrukturellen Aufbau von Multischichten, mit Rücksicht auf das mechanische Verhalten aufgeklärt. Dazu wurden durch plasmaunterstützte Gasphasenabscheidung (PACVD) Hartmetallsubstrate mit Viellagen beschichtet und vorrangig mittels analytischer Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) charakterisiert. Als Schichkomponenten wurden hauptsächlich TiN und Al2O3 untersucht, daneben aber auch Schichtsysteme der Komponenten AlON, (TiAl)N, und (Ti,Al)ON. Darüber hinaus wurden noch TiC-aC (TiC mit amorphem Kohlenstoffanteil)-Schichten einbezogen. Ziel waren gleichmäßige Multischichten mit Korngrößen von einigen Nanometern, geringer Testur und geringer Mikrorissdichte, die hart sind und gut haften. Die TEM-Untersuchungen dienten insbesondere der Aufklärung der Nanostruktur in den Interface-Bereichen der Schichtsysteme, wobei an Hand der Elektronenenergie-Verlustspektroskopie (EELS) sowohl element- als auch phasenspezifische Signale ausgewertet wurden. Zur verbesserten Bewertung der anfallenden Datenmengen wurden z. T. faktoranalytische Methoden eingesetzt. Je nach Prozessführung der Schichtherstellung kommt es in den Interface-Bereichen zur Durchmischung der Komponenten. Insbesondere führt diffundierender Sauerstoff zur Bildung von TiO2, was sich nachteilig auf die Qualität der Schichten auswirkt. Die Tiefe der "gestörten" Zonen begrenzt die wünschenswerte Verringerung der Einzelschichtdicken. Als wirkungsvolle Gegenmaßnahme hat sich der Einbau von Kohlenstoff erwiesen, wodurch sich dünnere Einzelschichten verwirklichen lassen.