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AG Haider - Metallphysik


Bindemechanismen beim Rührreibschweißen von Mischverbindungen (SPP1640 / A6)

Rahmen moderner Leichtbauweisen kommen in der Automobil- und in der Luftfahrtindustrie im immer mehr Werkstoffe zum Einsatz. Daraus resultieren oftmals Kombinationen unterschiedlicher metallischer Werkstoffe, die mit herkömmlichen Schmelzschweißverfahren kaum oder gar nicht gefügt werden können. Eine Alternative bietet hier das Rührreibschweißen (engl. Friction Stir Welding, FSW). Da die Fügepartner beim Rührreibschweißen nicht in die schmelzflüssige Phase überführt werden, ist dieses Verfahren besonders gut zum Fügen unterschiedlicher Metalle geeignet. Im Rahmen des Forschungsvorhabens sollen die effektiv wirksamen Bindemechanismen bei rührreibgeschweißten von Metall-Mischverbindungen untersucht werden. Als Hauptmechanismus wurde dabei die Bildung einer Intermetallischen Nanoschicht an der Grenzfläche identifiziert. Andere Effekte, wie etwa das Vermischen der Fügepartner an der Grenzfläche, spielen nur eine untergeordnete Rolle, die in den Untersuchungen aber nicht vernachlässigt werden kann. Die angewandten Untersuchungstechniken reichen von einfacher Metallographie bis hin zur Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) mit atomarer Auflösung.

Team:

Roland Marstatt; wiss. Mitarbeiter

Johannes F.J. Müller; stud. Hilfskraft

Partner: Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb); Technische Universität München
Förderer: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Weiterführende Links: Seite des Schwerpunktprogramms 1640

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1. M. Krutzlinger, R. Marstatt, S. Suenger, J. Luderschmid, M. F. Zaeh, F. Haider. Characteristics and joining mechanisms of friction stir welded dissimilar Al-Ti lap joints. Advanced Materials Research Vols. 966-967, pp. 510-520 (2014)
2. R Marstatt, M Krutzlinger, J Luderschmid, M F Zaeh, and F Haider. Formation of a diffusion-based intermetallic interface layer in friction stir welded dissimilar Al-Cu lap joints. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 181(1):012002, (2017)

clusterdynamik


Entwicklung eines clusterdynamischen Modells zur Simulation von Ausscheidungs-prozessen in Aluminiumlegierungen

Die Ausscheidungsvorgänge in modernen Aluminiumlegierungen sind aufgrund der daraus resultierenden mechanischen Eigenschaften der Werkstoffe von hohem technischen Interesse. So lassen sich in ausscheidungshärtenden Legierungen, abhängig von der Wahl der Legierungselemente, mittlere bis hohe Festigkeiten erreichen sowie die Korrosionsbeständigkeit beeinflussen.
Die allermeisten dieser Vorgänge sind seit langem Gegenstand der Forschung und bis heute qualitativ gut verstanden und quantitativ erfasst. Die genauen Zusammenhänge zwischen physikalischen Prozessparametern, wie Legierungszusammensetzung oder Auslagerungstemperatur und –dauer, und daraus resultierenden Werkstoffeigenschaften sind allerdings weitestgehend unerforscht. Eine Schlüsselrolle zum genauen Verständnis dieser Zusammenhänge stellt die Modellierung der Kinetik der Ausscheidungsvorgänge dar.
Einen Ansatz, mit dem bereits die Entmischung in binären Legierungen simuliert werden konnte, stellt das dynamische Clustermodell dar. Kern dieses Modells ist die zeitliche Entwicklung der Ausscheidungs- bzw. Clustergrößenverteilung einer Legierung, ausgehend von einem mit Legierungsatomen übersättigten Mischkristall. Mathematisch lässt sich das Modell als Anfangswertproblem formulieren: Es sei n die Anzahl an Legierungsatomen innerhalb eines Clusters und cn die Konzentration dieser Cluster, dann gilt für die zeitliche Änderung der Konzentration:

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wobei αn und βn die Wahrscheinlichkeiten für die Schrumpfung bzw. das Wachstum eines n-atomigen Clusters um ein Atom darstellen. Das Ziel unserer Arbeit ist die Weiterentwicklung und Anpassung dieses Modells für höherkomponentige Legierungssysteme und die Realisierung einer mehrstufigen Ausscheidungssequenz, wie sie beispielsweise in den Systemen Al-Zn-Mg oder Al-Cu vorkommt.


Ansprechpartner: Tobias Stegmüller, E-Mail: tobias.stegmueller@physik.uni-augsburg.de

Synthese von Nicht-Gleichgewichts-Legierungen durch Rührreib-Prozesse

Rührreibschweißen (engl. Friction Stir Welding) erobert immer mehr industrielle Zweige, aufgrund seiner Fähigkeit im festen Zustand Komponenten aus Material zu fügen, welches mit konventionellen Fügeverfahren nicht sinnvoll bearbeitbar ist. Aus dem Ansatz elementares Zirkon in FSW-Nähte einzubringen, um unkontrolliertes Kornwachstum, bei nachträglicher Wärmebehandlung zu verhindern, entstand die Idee, Rührreib-Prozesse zur Erzeugung von Legierungen zu verwenden, welche durch Mischung im flüssigen Zustand nicht herstellbar wären.

Unterschiedliche Metalle werden in Pulverform in das Aluminium eingebracht und die Verteilung der Partikel und damit die Ähnlichkeit zu konventionellen Legierungen wird geprüft. Dazu werden Prozessparameter variiert und die erzeugten Werkstücke mit ausgereiften Visualisierungsmethoden untersucht. Licht-, Rasterelektronen- und Transmissionselektronenmikroskopie sowie Computertomographie werden dabei hauptsächlich eingesetzt, um Größen- und Ortsverteilung der Fremdatomcluster auszuwerten. Zudem werden Raster-Mikrohärtemessungen und Differentialthermoanalyse bei aussichtsreichen Proben angewendet, um eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften aufgrund der lokalen Zwangslegierung aufzudecken und zu erklären.

Partner: Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb); Technische Universität München
Förderer: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Ansprechpartner: Maximilian Gnedel, E-Mail: maximilian.gnedel@physik.uni-augsburg.de

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Computertomographie-Aufnahme der Verteilung von Cu-Partikeln in durch Rührreib-Prozesse bearbeitetem Aluminium

Hochtemperatur-Chlorkorrosion in Müllverbrennungsanlagen

Als Hauptschädigungsmechanismus in Kraftwerken zur thermischen Abfallverwertung gilt die durch Chlor verursachte rauchgasseitige Hochtemperaturkorrosion. Werden chlorhaltige Partikel auf Anlagenbauteilen wie z.B. Wärmetauschern abgelagert, so erfolgt durch eine Sulfatierungsreaktion mit dem im Rauchgas befindlichen Schwefeldioxid eine Freisetzung als Chlor bzw. Chlorverbindung in unmittelbarer Nähe des Stahls. Das Cl2 bzw. HCl zehrt das Eisen unter der Bildung von FeCl2 ab und führt so zu einem massiven Abtrag des Stahlwerkstoffs.

Am Lehrstuhl steht ein Laboraufbau zur Verfügung, an welchem Stahlproben mit korrosiven Belägen ausgewählten Temperaturen sowie einer definierten Gasatmosphäre ausgesetzt werden können. Die Bestimmung der Sulfatierungskinetik erfolgt u.a. mittels nasschemischer Analyseverfahren. Der Korrosionsverlust der Stahlproben wird über den Massenverlust ermittelt. Für eine bildgebende Auswertung werden Schliffproben am Rasterelektronenmikroskop (REM) untersucht. Back-scattered-electron (BSE) Aufnahmen zeigen das auftretende Korrosionsbild. Mittels energy-dispersive-X-ray spectroscopy (EDX) können die an der Reaktion teilnehmenden Elemente detektiert und lokalisiert werden.

Ansprechpartner: Sebastian Pentz, E-Mail: sebastian.pentz@physik.uni-augsburg.de

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