In-Situ-Defektspektroskopie an Al-Schweißnähten während mechanischer Belastung mit einem Scanning-Positronen-Mikrostrahl

• Antragsteller: Professor Dr. Christoph Hugenschmidt
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 461170118

Ziel unseres Projektes ist es, grundlegend zum Verständnis des Zusammenhangs zwischen auf atomarer Ebene entstandenen Materialfehlern und der mechanischen Stabilität von Schweißnähten beizutragen. Hierfür wollen wir unter mechanischer Belastung in situ die Bildung und Verteilung von Defekten in Laserstrahlschweißnähten und Rührreibschweißnähten von Al-Legierungen untersuchen. Insbesondere aushärtbare Legierungen - wir werden uns auf AlCu6Mn konzentrieren - spielen aufgrund ihrer hohen Zugfestigkeit, ausgezeichneten Korrosionsbeständigkeit und guten Schweißbarkeit eine wichtige Rolle in der Luft- und Raumfahrtindustrie. Während des Schweißens führt der große Wärmeeintrag mit anschließender rascher Abkühlung zu einem komplizierten Zusammenspiel von Leerstellenbildung, Auflösung von Ausscheidungen und teilweisem Ausheilen von Defekten. Dies führt wiederum zu einer komplexen Mikrostruktur mit einer lokal abhängigen Konzentration von Leerstellen, Ausscheidungen und Kornfeinung. Die damit verbundene räumliche Variation der Festigkeit ist entscheidend für die mechanische Belastbarkeit und die Lebensdauer des geschweißten technischen Bauteils.Ortsaufgelöste Positronenstrahlexperimente (Ortsauflösung etwa 30µm) sollen durchgeführt werden, da sie sich besonders für die zerstörungsfreie Analyse von Gitterdefekten und deren Elementumgebung in technischen Legierungen eignen. Für unsere Experimente werden wir den einzigartigen Scanning-Positronen-Mikrostrahl am CDB-Spektrometer an der hochintensiven Positronenquelle NEPOMUC verwenden. Beginnend bei Raumtemperatur bis zu hohen Temperaturen soll während der Durchführung von Zugversuches und Ermüdungstests an Al-Proben die In-situ-Defektanalyse erfolgen. Ergänzend werden komplementäre Techniken wie Optische Mikroskopie der Mikroschnitte und Messungen der Mikro-Vickers-Härte angewendet. Auf diese Weise können wir die Bildung und Verteilung von Defekten wie Leerstellen, Leerstellen-Atomkomplexe und Ausscheidungen mit makroskopischen Eigenschaften wie Zugfestigkeit und Härte korrelieren.Wir erwarten, dass dieses Projekts einen großen Einfluss auf technische Anwendungen nicht nur für geschweißte Al-Legierungen, sondern auch für Metalllegierungen im Allgemeinen haben wird. Langfristig wollen wir die ortsaufgelöste Positronenannihilationsspektroskopie als leistungsfähiges Werkzeug für die Defektanalyse etablieren, was in der Ingenieurwissenschaft für die Anwendung technischer Materialien und Komponenten – z.B. im Schiffbau sowie in der Flugzeug- und Automobilindustrie – von großer Bedeutung ist.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen