Ob Flugzeugturbinen, Auto-Motoren oder Schneidwerkzeuge: Überall, wo harte Materialien aneinander reiben, kommt es zu Verschleiß. Die Widerstandsfähigkeit von Maschinenelemente kann aber oft deutlich erhöht werden, indem man ihre Oberfläche mit dünnen, leistungsfähigen Spezial-Schichten überzieht. Prof. Paul Mayrhofer vom Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnologie der TU Wien untersucht, wie sich solche speziellen Hartstoffschichten einsetzen und weiterverbessern lassen. Um neue, bessere Beschichtungen zu entwickeln, muss man die Materialien bis zur atomaren Ebene genau verstehen.
Weich oder spröde?
Gerade bei Schneidwerkzeugen ist die Härte ganz besonders wichtig. „Die Schneidhaltigkeit eines Messers ist proportional zur Härte, daher sind harte, keramische Materialien sehr gut geeignet“, erklärt Paul Mayrhofer. Andererseits sind sehr harte Materialien auch spröde und brechen leicht. Die optimale Kombination ist daher ein „zäher“ Trägerwerkstoff, etwa aus Metall, umgeben von einer dünnen keramische Hartstoffschicht. Solche Verbindungen stellt die Arbeitsgruppe von Paul Mayrhofer an der TU Wien im START Projekt „Atomistic Study of Metastable Phases“ und im Christian Doppler Labor „Application Oriented Coating Developement“ her.
Genauso nahtlos und eng wie sich die unterschiedlichen Materialien miteinander verbinden, sollen sich angewandte industrielle Forschung und akademische Grundlagenforschung in den Christian Doppler Labors zusammenfügen. Für Paul Mayrhofer ist diese Kombination eine Selbstverständlichkeit. In seinem Labor arbeitet er an den gleichen Beschichtungsmaschinen, wie sie auch seine Industriepartnern einsetzen, gleichzeitig verwendet sein Team aufwändige Computersimulationen, um die Eigenschaften der Beschichtungen auf atomarer Skala vorherzuberechnen und zu verbessern.
Je mehr Zutaten umso komplexer
Schon in seiner Dissertation an der Montanuni Leoben beschäftigte sich Paul Mayrhofer mit Hartstoffschichten. Nach einer Anstellung als Universitätsassistent in Leoben wechselte er an die University of Illinois at Urbana-Champaign (USA). Im Lauf der Jahre wandte er sich immer komplizierteren Beschichtungsmaterialien zu: Je mehr unterschiedliche Atom-Sorten man verwendet, umso mehr Möglichkeiten hat man, die gewünschten Materialeigenschaften einzustellen. „Materialien aus zwei Elementen, etwa aus Stickstoff und einem Metall, sind mittlerweile recht gut verstanden“, sagt Mayrhofer. „Bei drei oder mehr Elementen wird die Beschreibung komplizierter, aber die Materialeigenschaften können noch deutlich verbessert werden.“
Ein Beispiel dafür ist Titannitrid (TiN): Es ist eine typische Verbindung aus zwei Elementen und wird schon lange zur Beschichtung von Werkstoffen eingesetzt. Sein Nachteil ist allerdings, dass es leicht oxidiert und die poröse Oxidschicht das Material nicht schützen kann. Fügt man Titan und Stickstoff zusätzlich auch noch Aluminium hinzu, ändern sich die Materialeigenschaften deutlich: Auch das Aluminium oxidiert, ergibt aber eine stabile, dichte Oxidschicht, die eine geschlossene Oberfläche bildet und dadurch das Material vor weiterer Oxidation schützt.
Freilich hängen solche Eigenschaften oft empfindlich von der mikroskopischen Struktur des Materials ab: „Nicht nur die Mengenverhältnisse der einzelnen Elemente, sondern auch die Struktur ihrer atomaren Anordnung muss genau stimmen“, erklärt Paul Mayrhofer. Um das zu erreichen, muss man beim Entstehungsprozess Temperatur und Druck sehr präzise kontrollieren.
Welche Auswirkungen die Anordnung der Atome auf die Materialeigenschaften hat, lässt sich heute mit unterschiedlichen Computermethoden berechnen. Eine dieser Methoden ist die Dichtefunktionaltheorie. Mit ihr beschäftigte sich Paul Mayrhofer ausführlicher, als er 2005 bis 2006 gefördert durch ein Erwin-Schrödinger-Stipendium an der RWTH Aachen arbeitete. Auch heute in seinem Christian Doppler Labor an der TU Wien sowie seinem START Projekt „Atomistic Study of Metastable Phases“ gehören Dichtefunktionaltheorie-Codes zu den täglich eingesetzten Arbeitswerkzeugen.
Von Leoben nach Wien
Nach einer weiteren beruflichen Zwischenstation an der Universität Linköping in Schweden kehrte Paul Mayrhofer nach Leoben zurück, wo er sich auch habilitierte. Seine Arbeit wurde immer wieder mit wichtigen Preisen ausgezeichnet: 2007 erhielt er einen START-Preis des FWF, 2010 war er im Team, das den ersten Platz beim Houska-Preis der B&C-Privatstiftung erhielt. 2011 wurde sein Christian Doppler Labor „Application Oriented Coating Developement“ bewilligt und an der Montanuni Leoben eingerichtet. Dort blieb das Labor aber nur für kurze Zeit, denn bereits 2012 wurde Mayrhofer an die TU Wien berufen. Seine Forschungsgruppe und das CD-Labor brachte er mit.
Dass Paul Mayrhofer aus der Steiermark an die TU Wien wechselte, lag nicht daran, dass er als gebürtiger Burgenländer wieder näher an seine ursprüngliche Heimat heranrücken wollte. „Das Umfeld in Wien hat einfach gepasst“, meint er. Materialforschung („Materials and Matter“) ist schließlich einer der fünf Forschungsschwerpunkte der TU Wien, dementsprechend gibt es hier eine Reihe von Forschungsgruppen, die sich mit ähnlichen Themen beschäftigen. „Wichtig ist für uns auch die ausgezeichnete Infrastruktur. Am Großcomputer VSC können wir unsere Rechnungen durchführen, das Zentrum für Transmissions-Elektronenmikroskopie USTEM unterstützt uns bei der Analyse“, sagt Mayrhofer.
In seiner Freizeit spielt Paul Mayrhofer Trompete und Flügelhorn – auch bei diesen Instrumenten kommt es auf das Material an, und auch sie werden mit speziellen Schichten überzogen. Allerdings geschieht das bei Blechblasinstrumenten eher aus optischen Gründen und auf technisch weitaus weniger komplizierte Weise als in Mayrhofers Labor. Man darf also vermuten, dass sich Mayrhofer beim Musizieren eher auf den richtigen Einsatz konzentriert und nicht über die Atomstruktur seiner Trompeten-Beschichtung nachgrübelt.
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Das CD-Labor im Netz