µCT-basierte Charakterisierung des Korrosionsausmaßes zur Vorhersage des zeitabhängigen Leistungsspektrums für magnesiumbasierte Biomaterialien unter Berücksichtigung überkritischer Lochfraßbildung

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr.-Ing. Petra Maier; Professor Dr.-Ing. Frank Walther
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Biomaterialien
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 544257941

Zentrale wissenschaftliche Fragestellung und Forschungsgegenstand ist der Einfluss inhomogener Korrosion auf die quasi-statische und zyklische Leistungsfähigkeit von Mg-Legierungen im Kontext bioresorbierbarer Implantate. Mg-Legierungen neigen aufgrund des geringeren elektrochemischen Standardpotentials sowie des geringen Pilling-Bedworth-Verhältnisses zu inhomogener Korrosion und infolgedessen zu einer drastischen Abnahme der Stabilität. Das Projekt zielt auf eine zeitabhängige Lebensdauerprognose ab und setzt die kritische Lochfraßbildung in den Fokus, die für die Legierungsentwicklung, die Optimierung durch thermomechanische Prozessschritte und somit zur Prozess-Struktur-Eigenschaft-Korrelation unabdingbar ist. Somit sollen in Bezug auf inhomogene Korrosionsmorphologien Grenzwerte der quasi-statischen und zyklischen Belastbarkeit bestimmt werden, die bei fortschreitender Korrosion nicht zu einer Rissbildung führen. Die 3D-Charakterisierung der Korrosionsmorphologie verbunden mit einem in situ-Monitoring in Zug- und Ermüdungsversuchen soll die Schädigungstoleranz bzgl. Lochfraßmenge und -geometrie systematisch bewerten und ein Schädigungsausmaß durch Rissinitiierung aus Korrosionsnarben kritisch zuordnen. Hierfür bedarf es der Bestimmung mechanischer und elektrochemischer Kennwerte für ein lebensdauer- und mechanismenbasiertes Verständnis mit quantitativer Beschreibung der ablaufenden Schädigungsvorgänge. Dabei steht das Forschungsgroßgerät der HOST „µCT-Prüfsystem mit Nanofokus-Röntgenquelle inklusive Softwarepaket zur 3D-Rekonstruktion, SkyScan 2214“ (Projektnr. 451111116) im Mittelpunkt des Projekts, wobei die verfügbare Software methodisch zur (teil-) automatisierten Auswertung weiterentwickelt wird. Es gilt geeignete Parameter zur Beschreibung der Korrosionsmorphologie zu definieren. Hierzu gehören neben Kennwerten wie dem Volumenverlust und dem minimalen lasttragenden Restquerschnitt ebenfalls lokale Kennwerte bzgl. des Lochfraßes, wie z. B. Lochfraß- und Formfaktoren. Eine Dehnungsfeldanalyse zielt auf die Bestimmung der überkritischen Lochfraßgröße bzw. -geometrie für quasi-statische Belastungen ab. Elektrochemische Parameter sollen Aussagen zur Entstehung von Lochfraß und Rissinitiierung unter Korrosionsermüdungsbelastung ermöglichen. Folglich soll sich ein Gesamtbild für die Vorhersage zulässiger Belastungskollektive in Abhängigkeit der mechanischen und Korrosionseigenschaften sowie die daraus ableitbare valide Implantatauslegung ergeben. Für diese vollumfängliche Betrachtung ist die Überführung der Erkenntnisse aus den grundlegenden quasi-statischen auf die dynamischen Versuche unabdingbar.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen