„Oxygen Diffusion Hardening“ (ODH) von Elementen der Titangruppe und deren tribologische Eigenschaften

• Antragsteller: Privatdozent Dr.-Ing. Mathias Galetz; Professor Dr.-Ing. Uwe Glatzel
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 270293189

Oxidierte Zirconium- und Titanlegierungen werden in tribologischen Anwendungen wie in der Endoprothetik eingesetzt. Der Vorteil dieser Materialklasse liegt in der keramischen Oberfläche, die für Härte, Korrosions- und Abrasionsbeständigkeit sorgt, und dem metallischen Grundkörper, der eine gute Duktilität und Zähigkeit gewährleistet. Ein Nachteil ist die mitunter schlechte Schichthaftung, die bei einer herkömmlichen Oxidation der metallischen Legierungen entsteht.Im DFG-Vorgängerprojekt wurden verschiedene Wärmebehandlungsverfahren für die Zirconiumlegierung ZrNb7 genauer untersucht, die die Schichthaftung deutlich verbessern. Diese Verfahren beruhen auf einer Sauerstoffdiffusionszone, die unterhalb der Oxidschicht liegt und eine chemische Anbindung des Oxids an den metallischen Grundkörper verbessert. Dies wird in der Literatur als Sauerstoffdiffusionshärtung (engl. Oxygen Diffusion Hardening – ODH) beschrieben. Neben Zirconium besitzen die Metalle Titan und Hafnium eine ausgeprägte Sauerstofflöslichkeit im Gitter und eignen sich damit ebenso für dieses Wärmebehandlungsverfahren. Ein Problem bei oxidierten Titanlegierungen liegt allerdings in der hohen Defektdichte der Oxidschichten, die hauptsächlich parallel zur Metalloberfläche auftreten.Das Ziel dieses Projektes ist es, drei Systeme auf ihre Eignung zur Sauerstoffdiffusionshärtung zu untersuchen und die mechanischen Eigenschaften der Oxidschichten dahingehend zu verbessern. Die drei Systeme sind 1) Ti6Al4V, 2) Ti6Al4V mit Zr beschichtet (über Pulverpackverfahren) und 3) TiZrNbHfTa (jeweils 20 at.%). Ti6Al4V ist die mit Abstand am häufigsten verwendete Ti-Legierung. Eine geeignete Sauerstoffdiffusionshärtung könnte diese Legierung für den Einsatz in tribologischen Anwendungen deutlich verbessern. Da thermisch gewachsene Titanoxide grundsätzlich einen komplexeren Aufbau als Zirconiumdioxid aufweisen und sich viele unterstöchiometrische Oxide bilden, ist ein weiterer vielversprechender Ansatz die Legierung Ti6Al4V mittels Pulverpackverfahren mit Zirconium zu beschichten. Die Sauerstoffdiffusionshärtung sollte dann analog zu der untersuchten Legierung ZrNb7 aus dem aktuellen Projekt andwendbar sein. Das dritte System, die, als gut verformbar bekannte, Hochentropielegierung TiZrNbHfTa, beinhaltet alle drei Elemente mit ausgeprägter Sauerstofflöslichkeit. Die oberflächennahen Schichten, die bei der Oxidation dieser Legierung entstehen sind von besonderem Interesse.Für alle drei Systeme sollen geeignete Wärmebehandlungsparameter entwickelt werden um sowohl die Schichthaftung als auch die Verschleißfestigkeit zu verbessern. Letztere wird in Stift/Scheibe und Walze/Platte Prüfständen evaluiert. Mit den Daten aus den Wärmebehandlungsverfahren soll ein mathematisches Modell entwickelt werden, mit dem sich der Schichtaufbau und die Dicken der einzelnen Schichten bei gegebener Temperatur und Wärmebehandlungsdauer vorhersagen lässt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen