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

Pseudoelastische NiTi-Legierungen besitzen unter den metallischen Werkstoffen aufgrund einer spannungsinduzierten Phasenumwandlung eine einzigartige Eignung als Werkstoff zur Realisierung hoher reversibler Dehnungen. Ein Wesenszug der Verwendung des Werkstoffes, z.B. für minimalinvasive Implantate, ist folglich eine mindestens einmalige, lokale pseudoelastische Dehnung von 6% bis 8%. Im Bereich der Werkstoffoberfläche Bilden sich in der Folge aus bisher nicht genauer geklärten Umständen Risse, die teils kritische Auswirkungen auf die Ni-Freisetzung, das Korrosionsverhalten sowie vermutlich auch auf die Adsorption von Bakterien oder Zellen haben. Gleichfalls liegt nahe, dass die Risse eine strukturelle Ermüdung des Materials begünstigen. Als wesentliche Komponente für die Entstehung der Risse an der Werkstoffoberfläche gilt, dass Oxidschichten und auch gleichfalls spröde, intermetallische Phasen an der Werkstoffoberfläche vorliegen und der pseudoelastischen Dehnung nicht folgen können. Im Rahmen des beantragten Projekts wird zunächst die bisher nicht ausreichend bekannte Struktur- und Phasenbildung an der Oberfläche von NiTi in Gegenwart von Sauerstoff geklärt. Insbesondere betrifft dies die Oxidbildung, die Phasenbildung und das Gefüge von intermetallischem Ni3Ti zwischen Oxid und der NiTi-Matrix, sowie die Ausdehnung und das Gefüge des mit Ni angereicherten Bereichs im NiTi unterhalb der Oxidschicht. Je nach Ni-Gehalt kann auch in diesem Bereich die pseudoelastische Phasenumwandlung vollständig unterdrückt sein. Ebenfalls untersucht wird der Bildungsmechanismus von Poren im Bereich der Grenzfläche zwischen Metall und Oxidschicht, deren Auftreten erst vor kurzem beobachtet wurde.Darauf aufbauend werden die Auswirkungen von lokaler Dehnung, der Dicke der Oxidschicht sowie vorliegenden intermetallischen Phasen und Poren auf die Rissinitiierung erstmals quantitativ zugänglich und genutzt, um die grundlegenden Mechanismen der Rissinitiierung an der Oberfläche von NiTi nach einmaliger pseudoelastischer Verformung zu ergründen. Abschließendes Ziel im beantragten Vorhaben ist es, die Konsequenzen der initiierten Rissen im Bereich der oberflächennahen Schichten aufgrund der pseudoelastischen Verformung durch eine geeignete Strategie zu vermindern. Ansatzpunkt der Strategie ist eine Umlenkung initiierter Risse zu einem Verlauf parallel zur Materialoberfläche entlang von Grenzflächen und Poren. Je nach Verlauf der Risse sollen konkrete Vorhersagen zur Auswirkungen auf die Ni-Freisetzung, die Korrosionsbeständigkeit, oder die strukturelle Ermüdung möglich werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen