CoCr-Legierungen wurden und werden für orthopädische Implantate verwendet, da sie eine Kombination aus hoher Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Biokompatibilität ermöglichen. Seit 1985 wurden metallische Implantate umfassend untersucht, die mit Calciumphosphaten beschichtet sind, um die Biokompatibilität und die Anindung an das angrenzende Knochengewebe zu verbessern. Trotz des Fortschritts und der Entwicklung vieler Technologien ist die Ausfallrate solcher Implantate immer noch ein Problem. In der vorliegenden Arbeit wurde ein neuer und einfacher Weg entwickelt, um eine Hydroxylapatit (HAp) -Beschichtung auf einer CoCr-Legierung vermittels einer Suspension aus umweltfreundlichem Kiefernöl (PO), das mit HAp-Partikeln gemischt ist, zu erhalten. Die HAp-Beschichtung wurde unter Verwendung eines Pinsels auf den CoCr-Substraten aufgebracht, gefolgt von einer Wärmebehandlung bei 800°C für 1 Stunde, um die Haftung zwischen dem Substrat und der Schicht zu verbessern. Verschiedene durch Polieren, Passivieren und einer Wärmebehandlung hergestellte Oberflächenmorphologien sowie ein unbehandeltes Substrat wurden getestet und dann beschichtet, um den Einfluss der Rauheit auf die Wechselwirkung zwischen Substrat und Beschichtung zu bewerten. Die Benetzbarkeit wurden wurde durch Kontaktwinkelmessungen bestimmt. Der Kontaktwinkel von Wasser auf den Metallimplantatoberflächen war viel höher (68°) als der von PO (23°), was einen homogeneren Beschichtungsprozess ermöglichte, wenn PO für die HAp-Suspension verwendet wurde. Rasterelektronenmikroskopie- (REM), Röntgenbeugungs- (XRD) und Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR) -Analysen ergaben, dass die Substrate vollständig mit reinem HAp bedeckt waren. Die Wechselwirkung zwischen Substrat und Beschichtung wurde mittels REM, optischem Profilometer und Bleistift-Kratztest analysiert. Es wurde eine gute Partikelverteilung und für alle getesteten Oberflächenmorphologien eine stabile Bindung zum Substrat nachgewiesen. Die in vitro in simulierter Körperflüssigkeit (SBF) durchgeführten Bioaktivitätstests zeigten eine hohe Beständigkeit gegen Abbau und es wurde eine verringerte Bildung von Rissen auf den Oberflächen nach 21 Tagen Auslagerung beobachtet. Potentiodynamische Polarizations- und Cyclovoltammetrieanalysen bestätigten, dass die beschichteten und unbeschichteten Proben eine gute Korrosionsbeständigkeit zeigten. Die HAp-Beschichtung auf dem passivierten Substrat zeigte im Vergleich zu unbeschichteten Proben eine überlegene Korrosionsbeständigkeit, und es kann angenommen werden, dass hierbei die HAp-Beschichtung den Oberflächenschutz gegen Korrosion verbessert. Die Hochtemperaturbehandlung förderte jedoch die Abnahme der Korrosionsbeständigkeit im Falle des beschichteten, polierten Substrats, was auch das Wachstum von menschlichen primären Zellen aus Knochengewebe beeinflusste, die für in vitro-Zytokompatibilitätstests der verschiedenen Oberflächenmodifikationen verwendet wurden. Um die hohen Kosten und die Komplexität der konventionellen Abscheidungsmethoden und das damit verbundene Risiko einer Phasenumwandlung von HAp zu überwinden, bietet diese Arbeit eine einfache und effiziente Möglichkeit, HAp als mögliche Alternative zur Verbesserung von Knochenimplantaten auf metallische Substrate aufzutragen.:List of Figures vi List of Tables ix List of Abbreviations x Summary xi 1. Introduction 1 1.1 Objective 3 2. Literature review 4 2.1 Metallic biomaterials 4 2.1.1 Co-based alloys 5 2.1.2 Corrosion of CoCr alloys 7 2.2 Surface of metallic implants 11 2.3 Interface between substrate and coating 12 2.4 Cell-surface interaction 13 2.5 Calcium phosphates (CaP) 15 2.5.1 Hydroxyapatite 15 2.6 HAp coating 16 2.6.1 HAp coating methods 16 3. Materials & methods 27 3.1 Synthesis and characterization of HAp powder 27 3.2 Preparation of metallic substrate 27 3.3 Thermal behavior of the Pine Oil 28 3.4 HAp/pine oil slurry preparation and coating process 28 3.5 Characterization of the coating 29 3.6 Surface topography and wettability 29 3.7 Scratch resistance of the coating 29 3.8 Corrosion tests 30 3.8.1 Cyclic voltammetry 31 3.8.2 Potentiodynamic polarization 31 3.9 In vitro bioactivity analyses 33 3.10 Cell culture 34 4. Results & Discussion 36 4.1 Characterization of HAp powder 36 4.2 Thermal characterization of the pine oil 38 4.3 Characterization of the coating surface 40 4.3.1 X-ray diffraction and FTIR analyses 43 4.4 Surface properties 45 4.4.1 Topography, roughness and wettability 45 4.5 Scratch resistance of the coating 50 4.6 In vitro bioactivity and morphology 53 4.7 Metallography of the Co-15Cr-15W-10Ni alloy 62 4.8 Corrosive behavior 63 4.8.1 Effect of heat treatment on corrosion resistance 66 4.9 Cell Proliferation and osteogenic differentiation 68 5. Conclusions 73 5.1 Future perspectives 74 6. References 75 Acknowledgements 90 / CoCr alloys have been used for orthopedic implants as they allow combining high strength, corrosion resistance and biocompatibility. Since 1985 metallic implants coated with calcium phosphates have been widely studied to improve the biocompatibility and adequate bonding to the adjacent bones, but despites of advances and development of many technologies, rate of failure of such implants still are a problem. In the present work, a novel and simple route was developed to obtain hydroxyapatite (HAp) coating on CoCr alloy from a slurry of eco-friendly pine oil (PO) mixed with HAp particles. The HAp coating was deposited onto CoCr substrates using a paint brushing followed by heat treatment at 800°C for 1 h in order to improve the adhesion between the substrate and coating. Several substrate surface morphologies made by polishing, passivation, heat treatment and remaining the substrate untreated were tested, and then coated to evaluate the influence of the roughness on the interaction between substrate and coating. Wettability tests were carried out by sessile drop method; the contact angle of water on the metal implant surfaces was much higher (68°) than that of PO (23°), allowing a more homogeneous coating process when PO was used for HAp suspension. Scanning Electron Microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD) and Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) analyses indicated a substrate fully covered by pure HAp. The interaction between substrate and coating was analyzed by SEM, optical profilometer and pencil scratch tests. Good particle distribution and tight bonding to the substrate were found for all surfaces morphologies tested. The bioactivity tests in vitro performed in simulated body fluid (SBF) showed high resistance to degradation and a decreased formation of cracks was observed on the surfaces after 21 days of soaking. Potentiodynamic polarization and cyclic voltammetry analyses corroborated that the coated and uncoated samples showed good corrosion resistance. The HAp coating on the passivated substrate presented a superior corrosion resistance compared to uncoated ones and it can be assumed that the HAp coating improve the surface protection against corrosion. However, the high temperature treatment promoted decrease of corrosion resistance in case of the coated polished substrate, which also affected the growth of human primary bone-derived cells which were used for in vitro cytocompatibility tests of the different surface modifications. In order to overcome the high costs and complexity of the conventional deposition methods and the risk of phase transformation of HAp, related to those, this thesis presents a straightforward and efficient route to coat HAp onto metallic substrates as a potential alternative for improvement of bone implants.:List of Figures vi List of Tables ix List of Abbreviations x Summary xi 1. Introduction 1 1.1 Objective 3 2. Literature review 4 2.1 Metallic biomaterials 4 2.1.1 Co-based alloys 5 2.1.2 Corrosion of CoCr alloys 7 2.2 Surface of metallic implants 11 2.3 Interface between substrate and coating 12 2.4 Cell-surface interaction 13 2.5 Calcium phosphates (CaP) 15 2.5.1 Hydroxyapatite 15 2.6 HAp coating 16 2.6.1 HAp coating methods 16 3. Materials & methods 27 3.1 Synthesis and characterization of HAp powder 27 3.2 Preparation of metallic substrate 27 3.3 Thermal behavior of the Pine Oil 28 3.4 HAp/pine oil slurry preparation and coating process 28 3.5 Characterization of the coating 29 3.6 Surface topography and wettability 29 3.7 Scratch resistance of the coating 29 3.8 Corrosion tests 30 3.8.1 Cyclic voltammetry 31 3.8.2 Potentiodynamic polarization 31 3.9 In vitro bioactivity analyses 33 3.10 Cell culture 34 4. Results & Discussion 36 4.1 Characterization of HAp powder 36 4.2 Thermal characterization of the pine oil 38 4.3 Characterization of the coating surface 40 4.3.1 X-ray diffraction and FTIR analyses 43 4.4 Surface properties 45 4.4.1 Topography, roughness and wettability 45 4.5 Scratch resistance of the coating 50 4.6 In vitro bioactivity and morphology 53 4.7 Metallography of the Co-15Cr-15W-10Ni alloy 62 4.8 Corrosive behavior 63 4.8.1 Effect of heat treatment on corrosion resistance 66 4.9 Cell Proliferation and osteogenic differentiation 68 5. Conclusions 73 5.1 Future perspectives 74 6. References 75 Acknowledgements 90 / Ligas de CoCr têm sido empregadas em implantes ortopédicos por permitirem a combinação de alta resistência mecânica, resistência a corrosão e biocompatibilidade. Implantes metálicos revestidos com fosfatos de cálcio têm sido estudados desde 1985 devido a sua capacidade de aumentar a biocompatibilidade e promover a ligação adequada com os ossos adjacentes. No entanto, apesar de todos os avanços e o desenvolvimento de muitas tecnologias, a taxa de falha destes implantes ainda é um problema. No presente trabalho, uma nova e simples rota foi desenvolvida para revestir a liga de CoCr com hidroxiapatita (HAp) a partir de uma mistura óleo de pinho (PO) ecológica com partículas de HAp. O revestimento de HAP foi depositado sobre o substrato de CoCr usando uma pincel de pintura seguido de tratamento térmico a 800 °C por 1 h a fim de aumentar a adesão entre o substrato e o revestimento. Foram testadas diversas morfologias de superfície do substrato, sendo estas polidas, passivadas, tratadas termicamente, além de um substrato não tratado, e em seguida foram revestidas para avaliar a influencia da rugosidade na interação entre substrato e revestimento. Testes de molhabilidade foram realizados pelo método de gota séssil; o ângulo de contato da água na superfície metálica do implante foi muito maior (68°) que os com PO (23°), permitindo uma maior homogeneidade no processo de revestimento quando utilizado PO na suspensão de HAp. Análises por Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), difração de raio-x (DRX) e espectroscopia infravermelha por transforma de Fourier (FTIR) indicaram que o substrato foi completamente coberto com a HAp pura. A interação entre o substrato e o revestimento foi analisada por MEV, perfilômetro óptico e teste de arrancamento, os quais demonstraram uma boa distribuição de partículas e uma próxima ligação para todas as morfologias de superfície testadas. Testes in vitro de bioatividade foram realizados com fluido corpóreo simulado (SBF) e apresentaram alta resistência a degradação e uma redução da formação de trincas na superfície foi observada após 21 dias de imersão. Análises de polarização potenciodinâmica e voltametria cíclica comprovaram uma boa resistência à corrosão nas amostras revestidas e não revestidas. O revestimento de HAp no substrato passivado apresentou uma resistência à corrosão superior aos não revestido e pode ser assumido que o revestimento de HAp melhorou a proteção da superfície contra corrosão. No entanto, o tratamento térmico com alta temperatura promoveu uma diminuição da resistência à corrosão no caso do substrato polido revestido, no qual afetou o crescimento de células primárias derivadas de osso humano que foram usadas nos testes de citocompatibilidade in vitro nas diferentes superfícies modificadas. A fim de solucionar o alto custo e a complexidade no método convencional de deposição, além dos riscos da transformação de fase da HAp, esta tese apresenta uma direta e eficiente rota de revestimento de HAp em substratos metálicos como uma potencial alternativa para o melhoramento de implantes ósseos.:List of Figures vi List of Tables ix List of Abbreviations x Summary xi 1. Introduction 1 1.1 Objective 3 2. Literature review 4 2.1 Metallic biomaterials 4 2.1.1 Co-based alloys 5 2.1.2 Corrosion of CoCr alloys 7 2.2 Surface of metallic implants 11 2.3 Interface between substrate and coating 12 2.4 Cell-surface interaction 13 2.5 Calcium phosphates (CaP) 15 2.5.1 Hydroxyapatite 15 2.6 HAp coating 16 2.6.1 HAp coating methods 16 3. Materials & methods 27 3.1 Synthesis and characterization of HAp powder 27 3.2 Preparation of metallic substrate 27 3.3 Thermal behavior of the Pine Oil 28 3.4 HAp/pine oil slurry preparation and coating process 28 3.5 Characterization of the coating 29 3.6 Surface topography and wettability 29 3.7 Scratch resistance of the coating 29 3.8 Corrosion tests 30 3.8.1 Cyclic voltammetry 31 3.8.2 Potentiodynamic polarization 31 3.9 In vitro bioactivity analyses 33 3.10 Cell culture 34 4. Results & Discussion 36 4.1 Characterization of HAp powder 36 4.2 Thermal characterization of the pine oil 38 4.3 Characterization of the coating surface 40 4.3.1 X-ray diffraction and FTIR analyses 43 4.4 Surface properties 45 4.4.1 Topography, roughness and wettability 45 4.5 Scratch resistance of the coating 50 4.6 In vitro bioactivity and morphology 53 4.7 Metallography of the Co-15Cr-15W-10Ni alloy 62 4.8 Corrosive behavior 63 4.8.1 Effect of heat treatment on corrosion resistance 66 4.9 Cell Proliferation and osteogenic differentiation 68 5. Conclusions 73 5.1 Future perspectives 74 6. References 75 Acknowledgements 90

The large magneto-crystalline anisotropy energy of the L10 phase has pushed the interest to the FePt nanoparticles to get smallest possible not superparamagnetic particles for magnetic data storage media. The DC magnetron sputtering process, in an inert gas atmosphere and subsequently ejection into high vacuum via differential pumping in addition with a newly constructed light furnace, allows us to have a predeposition annealing of FePt nanoparticles. The advantage compared to wet chemical process route is, that we can prevent the growing of particles on a substrate. In order to determine the experimentally hardly accessible temperature of the particles, the thermal history of the particles is rather calculated from the interaction with the light field along the flight path through the light furnace used for the in-flight annealing. The results obtained for the particle temperature are corroborated by experimental findings on the sintering of agglomerated particles and change in magnetic properties due to heating over the L10 stability temperature. The experiments reveal that the effect of the thermal treatment on both the structural and magnetic properties of the FePt nanoparticles strongly depends on the particles’ crystal structure. The magnetic behavior shows a size depending effective uniaxial magnetic anisotropy constant. This behavior is strongly correlated to the structure of the 5 nm to 8 nm L10 FePt particle.

Nanoskalige Multischichten besitzen attraktive physikalische Eigenschaften wie den Riesenmagnetwiderstand, die sehr sensibel von der Struktur der Grenzfläche und der Einzelschichtdicke abhängen. Mit Hilfe einer Wärmebehandlung wird versucht, den Riesenmagnetwiderstand der durch Sputtern abgeschiedenen Schichten zu erhöhen. In entmischenden System Co/Cu wird bei Einzelschichtdicken von 2nm eine Erhöhung des Riesenmagnetwiderstandes gemessen. Allerdings verringert sich der Widerstand bei höheren Temperaturen drastisch. Die Verringerung wird begleitet von einem Zerfall der Schichtstruktur. Diese Arbeit untersucht die thermische Stabilität und morphologische Entwicklung nanoskaliger Multischichten mit binären nichtmischbaren Komponenten während der Wärmebehandlung mit Hilfe der Monte-Carlo-Methode und im Rahmen der Cahn-Hilliard-Theorie. Es wird gezeigt, dass bei einer Wärmebehandlung abgeschiedener Schichten die chemische Unschärfe der Phasengrenzfläche verringert werden kann. Bei der Wärmebehandlung bildet sich abhängig von der Temperatur eine morphologische Rauigkeit an der Phasengrenzfläche. Oberhalb einer kritische Temperatur findet ein Rauigkeitsübergang statt, bei der langwellige Rauigkeiten mit ständig wachsender Amplitude entstehen. Die Überlappung der Undulationen der morphologischen Rauigkeit von Unter- und Oberseite einer dünnen Schicht wurde als ein Mechanismus für die Bildung von Schichtdurchbrüchen identifiziert. In polykristallinen Schichten verursachen Korngrenzen thermische Instabilitäten der Multischicht. "Grain boundary grooving" wird als ein Mechanismus für die Bildung eines Schichtdurchbruchs an Korngrenzen vorgeschlagen. Durchbrochen Schichten ziehen sich getrieben durch Kapillarkräfte zurück. An den Endstellen bilden sich Wulste aus. Je nach Schichtdickenverhältnissesn kommt es zu einer Verschmelzung mit benachbarten Schichten gleicher Phase. Die ursprüngliche Schichtstruktur wird zerstört.

Die Kombination von hoher Festigkeit und guter Dehnung ist eine wichtige Anforderung an moderne Werkstoffarten. Es wird angestrebt, diese Werkstoffeigenschaften effektiv und preiswert zu erreichen. TRIP-Stähle stellen eine Werkstoffart dar, welche im Stande ist, diese Kriterien zu erfüllen. Die hervorragenden Eigenschaften dieser Stahlart sind nicht nur durch das von Ferrit, Bainit und Restaustenit gebildete Mehrphasengefüge gegeben, sondern werden auch durch den TRIP-Effekt (transformation induced plasticity) begünstigt. Als TRIP-Effekt wird die Umwandlung von Restaustenit in verformungsinduzierten Martensit während der Kaltverformung bezeichnet. In der Automobilindustrie werden TRIP-Stähle insbesondere für die Herstellung von Sicherheitskomponenten verwendet, da sie über die Fähigkeit verfügen, ein großes Ausmaß an Verformungsenergie während des Aufpralls zu absorbieren. Die hohe Festigkeit ermöglicht eine weitere Senkung des Komponentengewichtes. TRIP-Werkstoffe sind jedoch nicht nur für die Herstellung von Blechkomponenten interessant, sondern können auch bei anderen Anwendungen eingesetzt werden, z.B. bei der Massivumformung. Bei der Massivumformung von TRIP-Stählen entstehen Probleme, die bei der Blechbehandlung nicht auftreten. Es handelt sich insbesondere um die Notwendigkeit eine gleichmäßige Verformungs- und Temperaturfeldverteilung über den ganzen Werkstoffquerschnitt zu gewährleisten. Es ist wichtig, eine richtige Abkühlung der Proben zu erreichen, damit auch in der Probenmitte eine ausreichende Abkühlgeschwindigkeit erreicht wird, welche die Entstehung eines Ferrit-Bainit-Gefüges ermöglicht und die Restaustenitstabilität unterstützt. Diese Probleme schränken die Produktionsmöglichkeit eines komplexen TRIP-Gefüges in Massivhalbzeugen in der Industrie ein. Für diese Arbeit wurden technologische Möglichkeiten, Parameter der thermomechanischen Behandlung und Endeigenschaften von insgesamt drei niedriglegierten TRIP-Stählen untersucht. Die gewonnenen Erkenntnisse ermöglichten die Herstellung relativ dickwandiger Hohlhalbzeuge. Dazu wurde eine Herstellungskette genutzt, die Bohrungsdrücken, interkritisches Glühen und Kaltdrückwalzen für optimale Werkstoffeigenschaften beinhaltet. Mithilfe der gewonnenen Erkenntnisse wurde sogar nachgewiesen, dass aus den im Rahmen dieser Arbeit bearbeiteten Werkstoffen Halbzeuge gewonnen werden können, die sowohl eine höhere Festigkeit also auch eine höhere Dehnung aufweisen als konventionell hergestellte Bleche aus niedriglegierten TRIP-Stählen.

Die Arbeit beschäftigt sich mit der galvanischen Legierungsabscheidung für die Systeme Cu-Pb, Ag-Pb und Au-Pb. Es konnte nachgewiesen werden, dass es zur Bildung stark übersättigter Mischkristalle kommt, deren Struktur- und Gefügeeigenschaften direkte Abhängigkeiten von den Abscheidebedingungen zeigen. Es treten für die Einzelsysteme Unterschiedlichkeiten auf, die in direkten Zusammenhang mit dem Gitteraufbau der Matrixelemente gebracht werden können. Besonderes Interesse verdient die Härte der Schichten, die im Vergleich zu schmelzmetallurgischen Legierungen um Größenordnungen höher liegt. Bei Wärmebehandlung unter Schutzgas- oder Sauerstoffatmosphäre sind Cu-Pb-Schichten durch Erholungsvorgänge und Ag-Pb-Schichten durch eine partielle Rekristallisation gekennzeichnet. Bei innerer Oxydation des Bleis kommt es im System Cu-Pb zu einer signifikanten Härtesteigerung, während im System Ag-Pb kein Einfluss auf die Härte beobachtet werden kann.

Die Temperaturverhältnisse beim Ziehen und Wärmebehandeln von Draht werden mit mathematisch-analytischen Methoden auf der Grundlage der FOURIERschen Wärmeleitungsgleichung eingehend untersucht. Insbesondere wird unter den spezifischen Wärmeübergangsbedingungen zwischen Draht und Ziehdüse sowie zwischen Draht und Ziehtrommel deren thermische Wechselwirkung analysiert. Ein Näherungsverfahren zur Berechnung der Drahttemperaturen in Zugfolgen unter Berücksichtigung des Ziehdüseneinflusses wird angegeben und mit einem Beispiel zum Nassziehen stark verzinkten Stahldrahts illustriert. Aus geschwindigkeitsabhängig gemessenen Änderungen des Drahtdurchmessers werden unter thermoelastischer Ziehringdurchmesserkorrektur Schmierfilmdicken bestimmt. Diffusionsgleichungen werden analysiert und ein Zusammenhang zur Reaktionskinetik wird hergestellt. Ein neues reaktionskinetisches Werkstoffmodell, das insbesondere auch im Falle stärker anisothermer Verhältnisse, also bei Kurzzeitwärmebehandlung anwendbar ist, wird vorgestellt.

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.

Nowadays, polymer-metal hybrids are covering a broad range of advanced applications, especially in the automotive or aerospace industries where high performance and lightweight components are highly demanded. Hybrid parts may offer additional functionality regarding strength, durability, impact and wear resistance without sacrificing size or weight of the full component. However, there are still challenges regarding improving the adhesion between dissimilar materials such as metals to polymers and its composites. There is a lack of research about the influence of a post heat treatment on adhesion and durability in polymer-metal hybrids manufactured through an overmolding processing chain. There is also a need for using adhesive promoters that may offer simultaneous corrosion protection to metallic substrates in order to extend the lifecycle of the part when subjected to diverse harsh environments. In this work, two organic coatings used as adhesive promoters on steel substrates were investigated: the first one is a polyester-based powder-coat adhesive developed in the Leibniz-Institute in Dresden. The second one is a high performance anti-corrosive electrophoretic paint that has never been reported in the literature as an intermediate adhesive layer in a thermoplastic-polyurethane (TPU) overmolding processing chain. A TPU was overmolded on both pre-coated steel substrates, and the adhesion of the polymer to the metal substrate was investigated after a heat treatment (annealing), and a subsequent hygrothermal aging at different temperature-humidity conditions. The influence of the annealing process on the adhesion and durability of the multilayered specimen was investigated in depth; similarly, failure modes and lifetimes were evaluated after the hygrothermal aging. Lifetime predictions calculated from kinetic parameters for solid decomposition -obtained from thermogravimetric analysis- were validated experimentally with polyurethane-steel hybrids commonly used as district heat pipes. Adhesion of TPU on the steel substrate using both organic coatings as adhesive promoters was successful due to the contribution of new physical-chemical and mechanical interactions at the polymer-coating interface, especially after annealing at 100 °C for 20 h. Additionally, heat treated hybrids exhibited a much better performance because of the apparent increased in the anchoring density at the polymer-metal interfaces. It is conclusive that progressive failure of the multilayered specimen is strongly dependent on water diffusion rather than thermolysis of any of the components, as it was detected by FTIR, and observed in the micrographs on the artificially-aged hybrid surfaces. Finally, accelerated aging was used to correlate lifetime predictions throughout the analysis of the kinetics of degradation using TGA experiments and mechanical tests. The calculated values of the activation energy evidence that durability of the polyurethane-based polymers is affected by temperature and humidity at the conditions described in this work. Lifecycle is directly related to kinetic parameters, and especially to the activation energy, EA. This kinetic parameter for pre-aged specimens, and particularly for those subjected to higher temperature conditions, were lower when compared to the fresh polymer; as it was demonstrated that TGA analysis is a primary tool to predict lifetime for thermoplastic and thermosetting polyurethanes.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Charakterisierung und der Wirkung von Mikroseigerungen auf das Werkstoffverhalten moderner 9% Cr-Stähle. Hierzu wurden drei Werkstoffchargen der Güte MARBN hinsichtlich der Mikrostruktur, des Zeitstandverhaltens, des Verhaltens während einer thermo-physikalischen Schweiß- sowie Wärmebehandlungssimulation auf quantitativer Ebene eingehend untersucht. Mit Hilfe von licht-, rasterelektronen- und transmissionselektronenmikroskopischen Untersuchungsmethoden wurden die Art, Größe, Verteilung und Elementzusammensetzung der Mikroseigerungen einer jeden Charge bestimmt. Eine Prüfung des Zeitstandverhaltens bei 650 °C und unterschiedlichen Spannungen zeigte eine chargenabhängige Zeitstandfestigkeit, welche unterhalb der üblichen Zeitstandfestigkeiten für homogene MARBN Güten liegt. Durch die thermo-physikalische Schweißsimulation konnte nachgewiesen werden, dass die Mikroseigerungen sämtlicher Chargen ab einer Spitzentemperatur von 1.000 °C zu unerwünschtem Deltaferrit umwandeln, dessen Ausprägung ebenfalls eine Chargenabhängigkeit zeigte. Weiterhin wurde der Einfluss normalisierender Wärmebehandlungen auf das mikroseigerungsbehaftete Gefüge mit Hilfe von thermo-physikalischer Simulation untersucht. Es zeigte sich, dass alle drei Chargen zur deutlichen Ausbildung von unerwünschtem Deltaferrit im Bereich der Mikroseigerungen bei üblichen Normalisierungstemperaturen neigen. Das chargenabhängig unterschiedliche Werkstoffverhalten konnte mit den charakterisierten Mikrostrukturen und dem Grad der Gefügeinhomogenität korreliert werden. Aus einer Variation der Normalisierungsbedingungen ging hervor, dass durch eine konventionelle einstufige Wärmebehandlung keine homogene und deltaferritfreie Mikrostruktur erzeugt werden kann. Aus diesem Grund wurde eine dreistufige Wärmebehandlung entwickelt und appliziert, mit dem Ziel einer schrittweisen Auflösung und Verteilung der in den Mikroseigerungen gebundenen Elemente. Die Wirksamkeit der Homogenisierungen in Bezug auf die Mikrostruktur, die Elementverteilung, das Schweißverhalten sowie das Zeitstandverhalten konnte erfolgreich nachgewiesen werden. So zeigte sich eine homogene Mikrostruktur, eine signifikante Reduzierung des Deltaferritanteils bei sämtlichen simulierten Spitzentemperaturen, sowie eine deutliche Verbesserung der Zeitstandfestigkeit aller drei Chargen.

Nanoskalige Multischichten besitzen attraktive physikalische Eigenschaften wie den Riesenmagnetwiderstand, die sehr sensibel von der Struktur der Grenzfläche und der Einzelschichtdicke abhängen. Mit Hilfe einer Wärmebehandlung wird versucht, den Riesenmagnetwiderstand der durch Sputtern abgeschiedenen Schichten zu erhöhen. In entmischenden System Co/Cu wird bei Einzelschichtdicken von 2nm eine Erhöhung des Riesenmagnetwiderstandes gemessen. Allerdings verringert sich der Widerstand bei höheren Temperaturen drastisch. Die Verringerung wird begleitet von einem Zerfall der Schichtstruktur. Diese Arbeit untersucht die thermische Stabilität und morphologische Entwicklung nanoskaliger Multischichten mit binären nichtmischbaren Komponenten während der Wärmebehandlung mit Hilfe der Monte-Carlo-Methode und im Rahmen der Cahn-Hilliard-Theorie. Es wird gezeigt, dass bei einer Wärmebehandlung abgeschiedener Schichten die chemische Unschärfe der Phasengrenzfläche verringert werden kann. Bei der Wärmebehandlung bildet sich abhängig von der Temperatur eine morphologische Rauigkeit an der Phasengrenzfläche. Oberhalb einer kritische Temperatur findet ein Rauigkeitsübergang statt, bei der langwellige Rauigkeiten mit ständig wachsender Amplitude entstehen. Die Überlappung der Undulationen der morphologischen Rauigkeit von Unter- und Oberseite einer dünnen Schicht wurde als ein Mechanismus für die Bildung von Schichtdurchbrüchen identifiziert. In polykristallinen Schichten verursachen Korngrenzen thermische Instabilitäten der Multischicht. "Grain boundary grooving" wird als ein Mechanismus für die Bildung eines Schichtdurchbruchs an Korngrenzen vorgeschlagen. Durchbrochen Schichten ziehen sich getrieben durch Kapillarkräfte zurück. An den Endstellen bilden sich Wulste aus. Je nach Schichtdickenverhältnissesn kommt es zu einer Verschmelzung mit benachbarten Schichten gleicher Phase. Die ursprüngliche Schichtstruktur wird zerstört.