Elektronenstrahlschweißen von metallischen Gläsern

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In den letzten 40 Jahren wurden metallische Gläser in Folienform mit Dicken von 10 um bis hin zu Stäben und Blechen mit Dicken von 100 mm, sogenannte massive metallische Gläser (MMG), entwickelt. Anwendungsbereiche erstrecken sich von Signalstreifen für Warensicherungssysteme über kugelsichere Westen bis hin zu Implantaten für die Medizintechnik [1, 2]. Während insbesondere die massiven metallischen Gläser wegen ihrer herausragenden Eigenschaften (z. B. hohe Zugfestigkeit bei hoher elastischer Dehnung, hohe Biokompatibilität etc.) für eine Vielzahl von Anwendungen interessant sind, begrenzt die Größenbeschränkung bei ihrer Herstellung einen weit verbreiteten Gebrauch dieser hochinnovativen Werkstoffe. Um die massiven metallischen Gläsern besser in die Konstruktion von Produkten integrieren zu können, ist die Möglichkeit des Verbindens von massiven metallischen Gläsern mit massiven metallischen Gläsern oder kristallinen Materialien erforderlich. In letzter Zeit wurden in Amerika und insbesondere in Japan Forschungsaktivitäten im Bereich der Entwicklung von Schweißtechnologien für metallische Gläser beobachtet. Die vorliegenden Forschungsergebnisse zeigen, dass es grundsätzlich möglich ist, durch verschiedene Schweißverfahren (wie z.B. Elektronenstrahlschweißen, Reibschweißen, Explosionsschweißen) massive metallische Gläser miteinander bzw. mit kristallinen metallischen Werkstoffen zu verbinden, ohne dass es zu einer Kristallisation der massiven metallischen Gläser kommt. In Japan wird derzeit ein Forschungsprogramm zur Entwicklung von Verbindungstechnologien für neue metallische Gläser und anorganische Materialien („Development Base of Joining Technology for New Metallic Glasses and Inorganic Materials") bearbeitet. Das Projekt begann im April 2005 und ist auf 5 Jahre angesetzt. An diesem Programm sind die drei Forschungsinstitute Joining and Welding Research Institute (JWRI) of Osaka University, Institute for Materials Research (IMR) of Tohoku University und Materials and Structures Laboratory (MSL) of Tokyo Institute of Technology beteiligt. Das Projekt zielt darauf ab, Funktionsmaterialien, wie z.B. hybride Materialien auf Basis metallischer Gläser und Keramiken sowie Verbindungstechnologien für diese neuen hybriden Materialien zu entwickeln [3]. Dadurch droht der ohnehin schon große Vorsprung des Landes gegenüber den europäischen Forschungsinstituten, insbesondere den deutschen, auf diesem Gebiet weiter zu wachsen. Obwohl die Schweißbarkeit von MMG mit verschiedenen Schweißverfahren nachgewiesen werden konnte, liegen bis zum heutigen Zeitpunkt nur wenige Erkenntnisse zum schweißtechnischen Fügen massiver metallischer Gläser vor. Auch das Elektronenstrahlschweißen massiver metallischer Gläser ist trotz seiner Vorteile gegenüber alternativen Verfahren nur in ersten Ansätzen erforscht. Nur für zwei zirkoniumbasierte MMG wurden überhaupt Elektronenstrahlschweißversuche durchgeführt, dabei wurden weder verschiedene Werkstückgeometrien noch unterschiedliche Stoßarten berücksichtigt. Insbesondere zum Elektronenstrahlschweißen neuer hochfester Fe-Basis-MMG liegen bisher keinerlei Erkenntnisse vor. Das Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Entwicklung und Untersuchung einer Schweißtechnologie zum artgleichen Fügen berylliumfreier MMG auf Zirkoniumbasis sowie hochfester eisenbasierter MMG mit dem Elektronenstrahlschweißen. Ebenfalls soll eine Technologie zum Elektronenstrahlfügen massiver metallischer Gläser mit kristallinen Metallen entwickelt werden. Sowohl das Fügen unterschiedlicher Werkstückgeometrien als auch verschiedener Stoßarten soll untersucht werden. In wirtschaftlicher Hinsicht können die zu erwartenden Forschungsergebnisse vielschichtig genutzt werden: Durch die Entwicklung einer Technologie zum Elektronenstrahlschweißen massiver metallischer Gläser kann deren Anwendungsbereich erweitert werden. Dadurch können neue Produkte realisiert und neue Märkte erschlossen werden. Weiterhin können die gewonnenen Erkenntnisse genutzt werden, um die Elektronenstrahltechnik weiter zu entwickeln und die Nutzungsvielfalt von Elektronenstrahlschweißanlagen zu steigern.