Einfluss von Spurenelementen mit hoher Leerstellenbindungsenergie auf die Ausscheidungshärtung in Al-Cu-Legierungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Bernd Kieback; Professor Dr. Reinhard Krause-Rehberg; Privatdozent Dr. Torsten Staab
• Fachliche Zuordnung: Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 275221441

AlCu-basierte Legierungen haben als hochfeste Leichtbauwerkstoffe wichtige Anwendungen im Außenhautbereich beim Flugzeugbau (AlCuMg, AlCuLi) und als Gusslegierungen (AlSiCu) für Motorblöcke im Fahrzeugbau. In diesen Legierungen können Spurenelemente die Festigkeit signifikant erhöhen, wobei jedoch grundlegende atomare Mechanismen der Keimbildung erst ansatzweise verstanden sind. Da die Steigerung der Festigkeit (Aushärtung) in Aluminiumwerkstoffen während bzw. nach der Wärmebehandlung auf der leerstellenkontrollierten Diffusion von Legierungsatomen zur Ausscheidungsbildung beruht, hat eine hohe Leerstellenbindungsenergie von Spurenelementen einen entscheidenden Einfluss auf die Ausscheidungsbildung.In diesem Projekt wollen wir den Einfluss von Spurenelementen (< 0,1 Atom-% von u.a. In, Sn, Sb, Pb, Bi) auf die Keimbildung und damit auch auf die Ausscheidungshärtung resp. Festigkeit AlCu-basierter Legierungen aus Reinstelementen untersuchen.Ziel dieses Projektes ist es, grundlegende Aspekte des Leerstellen-Bindungsphänomens von Spurenelementen in Abhängigkeit von der Stärke der Bindung und einer Variation der Konzentration von Spurenelementen in Aluminiumlegierungen zu verstehen.Um das komplexe Wechselspiel von Legierungs- und Spurenelementen mit eingeschreckten Leerstellen aus der Wärmebehandlung zu verstehen, wenden wir verschiedene komplementäre Untersuchungsmethoden in Kombination mit Simulationsrechnungen an. Dazu wird - zunächst in reinem Aluminium - das Bindungsverhalten ausgewählter Spurenelemente zu Leerstellen durch Positronen-Annihilations-Spektroskopie (PAS) untersucht während mittels Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAFS) für Frühstadien der Entmischung die Nahordnung um Kupfer- und Spurenelement-Atome charakterisiert wird. Die räumliche Verteilung der Elemente im Gefüge wird mittels Elektronenstrahl-Mikroanalyse beobachtet, um die jeweilige elementspezifische Löslichkeit im Al-Mischkristall abzuschätzen.Um die gesamte Ausscheidungssequenz der Legierung erfassen zu können, werden die sich bildenden und wachsenden Ausscheidungen im System Al-Cu-X näher untersucht. Hierzu wird die Kleinwinkelstreuung mit Röntgenstrahlung (SAXS) als besonders effektive Methode zur quantitativen Beschreibung der Ausscheidungskinetik und Vergröberung im Nanometerbereich genutzt.Da Größe und Volumenanteil der Ausscheidungen die Festigkeit bzw. Härte der Legierungen beeinflussen, trägt die gleichzeitige Messung der Härte während der Kalt- und Warmauslagerung maßgeblich zum Verständnis des Einflusses von Spurenelementen auf das Aushärteverhalten bei.Aus den gewonnen Erkenntnissen zur Rolle von Spurenelementen bei der Keimbildung und dem Wachstum von Ausscheidungen wird ein wichtiger Beitrag zur Optimierung existierender und zur Entwicklung neuer ausscheidungshärtbarer Aluminiumlegierungen erwartet. Zudem führt ein deutlich erweitertes Verständnis von Spurenelementen zu einer besseren Verwertbarkeit von Sekundäraluminium im Recyclingprozess.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen