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Metallurgie

Wie Sauerstoff Titan wertlos macht

Schon wenige Sauerstoffatome können Titanmetall härter machen, als Materialwissenschaftlern möchten: Statt sich zu biegen, bricht es dann rasch unter Druck.

Titan ist ein in vielerlei Hinsicht wertvolles Material: halb so schwer, aber ebenso fest wie Stahl und ziemlich korrosionsbeständig. So setzt man es seit Langem dort ein, wo besondere Anforderungen dies erfordern; etwa in der Spezialfeinmechanik, für Schiffsanstriche, Düsentriebwerke oder medizinische Implantate. Gefährdet werden Titan und seine Legierungen allerdings durch Sauerstoff: Schon wenige Moleküle fressen sich in das Metall und machen es brüchig. Wie dies genau geschieht – und wie man es verhindern könnte, um Titan zu einem günstigeren Allerweltsersatz etwa für Aluminiummaterialien zu machen -, beschreiben Materialwissenschaftler nun in "Science".

© Qian Yu
Titangift Sauerstoff
Sauerstoff sorgt für härtere und brüchigere, also minderwertigere Titanqualität. Hier ist zu erkennen, wie sich eine Titanqualität mit 0,3 Prozent Sauerstoffgehalt unter Druck verformt, wobei Kristallstrukturdefekte in Form von kleinen Rissen anfallen. Sauerstoff-Störstellen sorgen dafür, dass sich solche Mikrorisse auf benachbarte Materiallagen ausbreiten – bis schließlich die ganze Struktur bricht.

Im Zentrum der metallurgischen Überlegungen der Forscher um Andrew Minor vom Lawrence Berkeley National Laboratory steht dabei Sauerstoff – ein echtes "Gift für Titan", so Minor. Schon geringste Mengen davon härten Titan und machen es so gleichzeitig deutlich brüchiger. Dies zeigte sich bei Nanokompressionsexperimenten der Forscher, bei denen sie Titan mit unterschiedlichen Reinheitsstufen lokal starkem Druck aussetzen und den Effekt unter dem Elektronenmikroskop überwachten.

Offenbar reagieren die Sauerstoffatome mit den unter Druck auftauchenden Fehlstellen im Kristallgitter. Diese Fehlstellen durchziehen das Metall im Normalfall korkenzieherförmig und erlauben eine gewisse Dehnung. Sauerstoffatome verhindern diese Dehnung aber und sorgen für harte Gegenpole der Mikrorissbildung – was im Endeffekt dann zum Bruch der gesamten Struktur führt. Dies geschieht bei Titan minderer Qualität mit höherem Sauerstoffanteil entsprechend schneller. Somit würde die Materialqualität davon profitieren, wenn Titanmaterialien unter Sauerstoffausschluss produziert würden – ähnlich wie in der Halbleiterindustrie, wo Sauerstoff die Siliziumverarbeitung für CPUs stört.

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