TY - THES

T1 - Mechanische Eigenschaften hochverformter Titanlegierungen

AU - Jäger, Nikolaus

N1 - gesperrt bis null

PY - 2015

Y1 - 2015

N2 - Nanokristalline Metalle und Legierungen stehen aufgrund ihrer besonderen mechanischen und physikalischen Eigenschaften im Blickpunkt intensiver Forschungsarbeit. Für die Herstellung solcher neuartigen Legierungen haben sich in den letzten Jahren die Verfahren der Hochverformung etabliert. Dabei werden bestehende Bulkmaterialien durch äußerst starke Verformung in ihrer Korngröße verringert und dadurch ihre mechanischen Eigenschaften, wie zum Beispiel die Festigkeit, verbessert. Für Anwendungen in der Medizintechnik stellen solche Syntheseverfahren ein bis dato weitgehend ungenütztes Potential zur Optimierung bestehender Werkstoffe dar. Wegen der ausgezeichneten Biokompatibilität und den guten mechanischen Eigenschaften werden dabei häufig Titan und seine Legierungen eingesetzt. In dieser Arbeit wurde der Einfluss der Hochverformung auf die Titanlegierungen Ti45Nb und Ti13Zr13Nb untersucht. Die Hochverformung wurde dabei mittels HPT-Verfahren realisiert. Die genutzten Charakterisierungsmethoden umfassten dabei Mikrohärtemessungen, Nanoindentierung, elektronenmikroskopische Untersuchungen, sowie Zug- und Bruchzähigkeitsversuche. Durch die Hochverformung wurde in beiden Fällen eine starke Kornfeinung mit einer Sättigungskorngröße unter einem Mikrometer erreicht. Beide untersuchten Legierungen zeigten dabei eine deutliche Streckung der Körner in Verformungsrichtung. Durch die Kornfeinung konnten Härte und Festigkeit stark erhöht werden. Untersuchungen mit dem Transmissionselektronenmikroskop zeigten eine rein kubisch raumzentrierte Betaphase beim Ti45Nb nach dem Umformen. Beim Ti13Zr13Nb bildete sich durch den hydrostatischen Druck beim Umformen zusätzlich eine Omegaphase aus. Aufgrund der starken Kornanisotropie wurde das Verformungsverhalten mittels Zugversuchen in zwei unterschiedlichen Orientierungen untersucht. Bezüglich der Festigkeit zeigte sich beim Ti45Nb, im Gegensatz zur Ti13Zr13Nb-Legierung, eine messbare Anisotropie. Gleichzeitig zur Verfestigung nahm das Verformungsvermögen durch die Hochverformung stark ab. Beim Ti45Nb zeigte sich hier mit einer Bruchdehnung von knapp sieben Prozent aber eine deutlich höhere Duktilität als beim Ti13Zr13Nb mit einer Bruchdehnung von unter einem Prozent. Mittels Nanoindentierung wurde der Einfluss der Nanostrukturierung auf den E-Modul, welcher einen wichtigen Parameter für die Eignung als Implantatswerkstoff darstellt, untersucht. Während sich beim Ti13Zr13Nb nach der Hochverformung ein deutlicher Anstieg des E-Moduls zeigte, blieb dieser bei der Ti45Nb-Legierung unverändert. Das Bruchverhalten der beiden Legierungen wurde mittels Bruchzähigkeitsversuchen bestimmt. Dafür wurden Bruchzähigkeitsproben mit drei verschiedenen Orientierungen aus den HPT-Scheiben gefertigt. Von den beiden untersuchten Legierungen zeigte Ti45Nb deutlich höhere Bruchzähigkeiten. Aus diesen Untersuchungen kann geschlossen werden, dass sich die Ti45Nb-Legierung besser als nanostrukturierter Implantatswerkstoff eignen würde als Ti13Zr13Nb. Für die Ti13Zr13Nb-Legierung sollte, mit dem Ziel die Verformbarkeit zu verbessern, ein besonderes Augenmerk auf die Entwicklung einer Wärmebehandlungsstrategie gelegt werden.

AB - Nanokristalline Metalle und Legierungen stehen aufgrund ihrer besonderen mechanischen und physikalischen Eigenschaften im Blickpunkt intensiver Forschungsarbeit. Für die Herstellung solcher neuartigen Legierungen haben sich in den letzten Jahren die Verfahren der Hochverformung etabliert. Dabei werden bestehende Bulkmaterialien durch äußerst starke Verformung in ihrer Korngröße verringert und dadurch ihre mechanischen Eigenschaften, wie zum Beispiel die Festigkeit, verbessert. Für Anwendungen in der Medizintechnik stellen solche Syntheseverfahren ein bis dato weitgehend ungenütztes Potential zur Optimierung bestehender Werkstoffe dar. Wegen der ausgezeichneten Biokompatibilität und den guten mechanischen Eigenschaften werden dabei häufig Titan und seine Legierungen eingesetzt. In dieser Arbeit wurde der Einfluss der Hochverformung auf die Titanlegierungen Ti45Nb und Ti13Zr13Nb untersucht. Die Hochverformung wurde dabei mittels HPT-Verfahren realisiert. Die genutzten Charakterisierungsmethoden umfassten dabei Mikrohärtemessungen, Nanoindentierung, elektronenmikroskopische Untersuchungen, sowie Zug- und Bruchzähigkeitsversuche. Durch die Hochverformung wurde in beiden Fällen eine starke Kornfeinung mit einer Sättigungskorngröße unter einem Mikrometer erreicht. Beide untersuchten Legierungen zeigten dabei eine deutliche Streckung der Körner in Verformungsrichtung. Durch die Kornfeinung konnten Härte und Festigkeit stark erhöht werden. Untersuchungen mit dem Transmissionselektronenmikroskop zeigten eine rein kubisch raumzentrierte Betaphase beim Ti45Nb nach dem Umformen. Beim Ti13Zr13Nb bildete sich durch den hydrostatischen Druck beim Umformen zusätzlich eine Omegaphase aus. Aufgrund der starken Kornanisotropie wurde das Verformungsverhalten mittels Zugversuchen in zwei unterschiedlichen Orientierungen untersucht. Bezüglich der Festigkeit zeigte sich beim Ti45Nb, im Gegensatz zur Ti13Zr13Nb-Legierung, eine messbare Anisotropie. Gleichzeitig zur Verfestigung nahm das Verformungsvermögen durch die Hochverformung stark ab. Beim Ti45Nb zeigte sich hier mit einer Bruchdehnung von knapp sieben Prozent aber eine deutlich höhere Duktilität als beim Ti13Zr13Nb mit einer Bruchdehnung von unter einem Prozent. Mittels Nanoindentierung wurde der Einfluss der Nanostrukturierung auf den E-Modul, welcher einen wichtigen Parameter für die Eignung als Implantatswerkstoff darstellt, untersucht. Während sich beim Ti13Zr13Nb nach der Hochverformung ein deutlicher Anstieg des E-Moduls zeigte, blieb dieser bei der Ti45Nb-Legierung unverändert. Das Bruchverhalten der beiden Legierungen wurde mittels Bruchzähigkeitsversuchen bestimmt. Dafür wurden Bruchzähigkeitsproben mit drei verschiedenen Orientierungen aus den HPT-Scheiben gefertigt. Von den beiden untersuchten Legierungen zeigte Ti45Nb deutlich höhere Bruchzähigkeiten. Aus diesen Untersuchungen kann geschlossen werden, dass sich die Ti45Nb-Legierung besser als nanostrukturierter Implantatswerkstoff eignen würde als Ti13Zr13Nb. Für die Ti13Zr13Nb-Legierung sollte, mit dem Ziel die Verformbarkeit zu verbessern, ein besonderes Augenmerk auf die Entwicklung einer Wärmebehandlungsstrategie gelegt werden.

KW - Ti45Nb

KW - Ti13Zr13Nb

KW - HPT

KW - ultrafine grained

KW - titanium alloy

KW - SPD

KW - Ti45Nb

KW - Ti13Zr13Nb

KW - HPT

KW - ultrafeinkörnig

KW - Titanlegierungen

KW - Hochverformung

M3 - Diplomarbeit

ER -