Einfluss oberflächennaher Schichten auf die Rissinitiierung in NiTi bei einmaliger pseudoelastischer Verformung - Bedeutung von Oxidschicht und intermetallischem Ni3Ti

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Undisz
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 387559234

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Pseudoelastische NiTi-Legierungen besitzen unter den metallischen Werkstoffen aufgrund einer spannungsinduzierten Phasenumwandlung eine einzigartige Eignung als Werkstoff zur Realisierung hoher reversibler Dehnungen. Eine Bedingung bei der Verwendung des Werkstoffs, z.B. für minimalinvasive Implantate, ist folglich eine mindestens einmalige, lokale pseudoelastische Dehnung von 6% bis 8%. Im Rahmen des Projekts wurden die Details zur Struktur- und Phasenbildung an der Oberfläche von NiTi in Gegenwart von Sauerstoff geklärt. Abweichend von bisherigen Erwartungen findet die Bildung Ni-reicher intermetallischer Phasen unterhalb der Oxidschicht bereits bei Wärmebehandlungen von <2 min (~500 °C) statt und müssen folglich bei der Erforschung und Einsatz des Materials berücksichtigt werden. Für die unerwartet raschen Phasenumwandlungen wurde ein Mechanismus durch lokale Umordnung von Atomen abgeleitet, durch den die bei klassischen Phasenumwandlungen notwendige Phase der Keimbildung umgangen wird. Zusätzlich findet die Phasenumwandlung zum thermodynamisch stabilen Ni3Ti über die metastabile Phase Ni4Ti3 statt, die in NiTi-Legierungen sonst als wenige Nanometer kleine Ausscheidungen auftreten. Bezüglich der Rissinitiierung wurden die Auswirkungen von pseudoelastischer Dehnung im Wechselspiel mit der Dicke der Oxidschicht sowie vorliegenden intermetallischen Phasen und Poren erfasst. Besonders hervorzuheben ist, dass Risse in der Oxidschicht nicht zwangsläufig in die darunterliegende Ni-reiche Schicht übergehen, sondern insbesondere bei Überlagerung von Zug- und Druckspannungen eine Rissablenkung entlang von Poren im Oxid auftreten kann. Zusätzlich scheint die Ni-reiche intermetallische Schicht zumindest etwas Duktilität aufzuweisen, die lokal zu einer Abschwächung bzw. Umlenkung der Risse führt. Für den Übergang der Risse in den NiTi-Grundwerkstoff wurde erkannt, dass häufig eine Abstumpfung der Rissspitze auftritt, was die Gefahr der Bildung von kritischen Anrissen bis in den Grundwerkstoff verringert.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Corrosion Resistance of Nitinol Wires After Deformation. Shape Memory and Superelasticity, 5(4), 346-351.
  Zende, Stefan; Freiberg, Katharina E.; Dorner, Franziska; Feth, Nils-Agne & Undisz, Andreas
  
• Bridging the gap between high temperature and low temperature oxidation of 316 L. Corrosion Science, 175, 108884.
  Wonneberger, Robert; Lippmann, Stephanie; Abendroth, Barbara; Carlsson, Anna; Seyring, Martin; Rettenmayr, Markus & Undisz, Andreas
  
• Chemical effects during the formation of various types of femtosecond laser-generated surface structures on titanium alloy. Applied Physics A, 126(4).
  Florian, C.; Wonneberger, R.; Undisz, A.; Kirner, S. V.; Wasmuth, K.; Spaltmann, D.; Krüger, J. & Bonse, J.
  
• Evaluation Methods for Non-contact Bend and Free Recovery Tests of Thin NiTi Wires and Their Effects on Measured Transformation Temperatures. Journal of Materials Engineering and Performance, 29(8), 5435-5441.
  Apell, Jonathan; Rettenmayr, Markus & Undisz, Andreas
  
• Characteristics of cracks formed at the surface of NiTi during a single cycle of pseudoelastic deformation. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 1147(1), 012024.
  Freiberg, K. E.; Wonneberger, R. & Undisz, A.
  
• Oxide Layer Formation, Corrosion, and Biocompatibility of Nitinol Cardiovascular Devices. Shape Memory and Superelasticity, 8(2), 45-63.
  Nagaraja, Srinidhi; Brown, Ronald; Saylor, David & Undisz, Andreas
  
• Early oxidation stages of austenitic stainless steel monitored using Mn as tracer. Corrosion Science, 223, 111434.
  Wonneberger, Robert; Kirste, Gloria; Seyring, Martin; Hafermann, Martin; Ronning, Carsten; Schaal, Maximilian; Otto, Felix; Fritz, Torsten & Undisz, Andreas
  
• Phase formation in the Ni-enriched zone below the surface oxide on NiTi. Intermetallics, 154, 107817.
  Freiberg, K.E.; Seyring, M.; Wonneberger, R.; Rettenmayr, M. & Undisz, A.
  
• Surface amorphization of bulk NiTi induced by laser radiation. Surfaces and Interfaces, 38, 102827.
  Wonneberger, Robert; Wisniewski, Wolfgang; Lippmann, Stephanie; Müller, Frank A.; Gräf, Stephan & Undisz, Andreas