Pulvermetallurgische Funktionsbauteile aus NiTi- und NiTi-X-Legierungspulvern

Die Pulvermetallurgie (P/M) ist eine vielversprechende Verfahrenstechnik für die Herstellung von NiTi-Bauteilen, die aufgrund des Formgedächtniseffekts nur eingeschränkt spanend bearbeitet werden können. Eine industrielle Umsetzung pulvermetallurgischer Methoden ist jedoch nicht trivial, da das Phasenumwandlungsverhalten der Legierung während der Prozessführung durch O- und C-Aufnahme sowie Ausscheidung von Ni4Ti3 beeinflusst wird. In der vorliegenden Arbeit wird jeder Schritt der P/M-Prozesskette, ausgehend vom vorlegierten NiTi-Pulver bis hin zum fertigen Funktionsbauteil, diskutiert. Drei innovative Anwendungen mit hoher industrieller Relevanz werden vorgestellt, um das hohe Potenzial der Technologie für NiTi-Werkstoffe zu demonstrieren: Orthodontische NiTi-Brackets mit bei Körpertemperatur pseudoelastischen Eigenschaften wurden über den Metallpulverspritzguss hergestellt. Wärmebehandlungen dienten anschließend zur Feinjustierung der Phasenumwandlungstemperaturen. Ein voll ausgeprägtes Formgedächtnisverhalten wurde über den Einweg-Effekt nachgewiesen. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die Zugabe von Ni-oder Ti zum vorlegierten NiTi-Pulver ein vielversprechender Ansatz ist, um Phasenumwandlungstemperaturen gezielt zu verschieben und um die nach dem Sinterprozess unvermeidliche Restporosität durch das Hervorrufen einer eutektischen Schmelze signifikant zu reduzieren. Der Werkstoff NiTi ist aufgrund seines hervorragenden Dämpfungsverhaltens auch für kavitationsresistente Beschichtungen von großem Interesse. Kavitation kann in technischen Anwendungen, beispielsweise an Turbinenschaufeln von Wasserkraftwerken oder Pumpenkomponenten, zu erhöhtem Verschleiß führen. In der vorliegenden Arbeit wurden NiTi-Schichten ausgehend von vorlegiertem Pulver über Niederdruckplasmaspritzen (LPPS) hergestellt. Die Kavitationsresistenz in Abhängigkeit der LPPS-Parameter, Oberflächenbehandlung und Schichtdicke wurde untersucht. Eine Charakterisierung der Mikrostruktur und des Phasenumwandlungsverhaltens rundeten die Studie ab. Ternäre NiTi-X-Legierungen weisen ein von binärem NiTi abweichendes Phasenumwandlungsverhalten auf und können somit die Anwendungsbereiche der Formgedächtnislegierungen erweitern. So vergrößert beispielsweise die Zugabe von Nb die Hysterese zwischen austenitischer und martensitischer Phasenumwandlung. Bereits auf dem Markt erhältliche Verbindungselemente machen sich diesen Effekt zu Nutze. Für die pulvermetallurgische Herstellung von Klemmhülsen-Prototypen wurden NiTi-Nb-, NiTi-Ag- und NiTi-W-Legierungen durch heißisostatisches Pressen hergestellt. Mikrostruktur, Diffusions- und Phasenumwandlungsverhalten wurden untersucht, um ein besseres Verständnis des Einflusses der nicht löslichen Phasen in der NiTi-Matrix zu erlangen. Die Legierung NiTi-Ag ist aufgrund der antibakteriellen Wirkung der Silberphase auch für medizinische Implantatanwendungen von Interesse. Zellkulturversuche zur Abschätzung der Biokompatibilität und Keimtests zur Untersuchung der antibakteriellen Wirkung wurden durchgeführt, um das biomedizinische Potenzial der Legierung abzuschätzen.