Materialfluss von Magnesiumlegierungen beim constrained friction processing: Mehrskalenbeschreibung und empirische Modellierung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Benjamin Klusemann
• Fachliche Zuordnung: Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 544306307

Constraining Friction Processing (CFP) ist ein neues reibbasiertes Verfahren des Festphase-Processings, das sich für die thermomechanische Verarbeitung von metallischen Werkstoffen eignet. Das Verfahren hat das Potenzial, die Herausforderungen bei der Verarbeitung von Magnesiumlegierungen zu überwinden, die mit ihrer geringen Verformbarkeit und Verarbeitbarkeit bei Raumtemperatur zusammenhängen. Die Kombination aus hoher Scherbeanspruchung und Wärme, die während dem CFP erzeugt werden, ermöglicht metallurgische Phänomene wie die dynamische Rekristallisation, die zu einer erheblichen Verfeinerung des Mikrogefüges führt. Dabei taucht die rotierende Schulter in das Werkstück ein, wodurch das Material plastifiziert und in den Hohlraum des Werkzeugs, definiert durch die Position des innenliegenden rotierenden Stiftes, extrudiert wird. Die während des Prozesses entstehende Temperatur und Verformungsbedingungen führen zu einem komplexen Materialfluss, der durch die Kombination von zwei Scherkomponenten beschrieben werden kann: einfache Scherung und reine Extrusion. Obwohl ein tiefes Verständnis des Materialflusses ein Schlüsselaspekt für das maßgeschneiderte mikrostrukturelle Design beim CFP ist, wurde ein umfassendes Verständnis bisher nicht erreicht. Dieses Projekt zielt darauf ab, eine mehrskalige Beschreibung des Materialflusses während dem CFP mit Hilfe eines empirischen Modellierungsansatzes zu liefern. Im ersten Teil des Projekts wird der Materialfluss in Bezug auf die Scherrichtung für jeden Punkt der extrudierten Probe beschrieben. Der gewählte Ansatz stützt sich auf die Erkenntnis, dass die Wechselwirkung zwischen der einfachen Scher- und der reinen Extrusionskomponente des Materialflusses eng mit der resultierenden Textur der extrudierten Probe zusammenhängt. Zu diesem Zweck werden die Proben mittels EBSD umfassend hinsichtlich der Textur charakterisiert, um die Scherrichtung zu ermitteln. Die gesammelten Informationen werden die Identifizierung des Modells in Abhängigkeit der relevanten Variablen ermöglichen. Der zweite Teil des Projekts zielt darauf ab, die Auswirkung der Rotationsgeschwindigkeit auf den Materialfluss und Gefüge zu untersuchen. Zu diesem Zweck werden Proben mittels CFP unter Zugabe von Kohlenstoffnanoröhrchen, die als Tracer-Materialien dienen, hergestellt. Die Analyse der Makrostruktur der hergestellten Proben wird den Materialfluss in Bezug auf die Anzahl der Schichten und den Abstand zwischen den Schichten offenlegen, um schließlich die Erstellung eines empirischen Modells zur Beschreibung dieser Merkmale in Abhängigkeit von der Rotationsgeschwindigkeit zu ermöglichen. Zusätzlich werden auch Al-Drähte in CFP-Proben eingefügt, um mittels 3D-Röntgentomographieanalyse eine Abschätzung der Dehnung im CFP Prozess zu ermöglichen. Die entwickelten Modelle werden anhand von skalierten Proben validiert, und die Übertragbarkeit auf andere reibungsbasierte Verfahren, hier am Beispiel des Reibextrusionsprozesses, wird bewertet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen