Elektronenmikroskopische Analyse von Schmelzprozessen und Erstarrungsgefügen

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Aus materialwissenschaftlicher Sicht löst die Erstarrung von metallischen Schmelzen im entstehenden Gefüge verschiedene physikalische, chemische und thermomechanische Effekte aus, die in ihrer Wirkung auf die Präzision eines Bauteils entscheidenden Einfluss haben. Ziel des Teilprojekts A06 ist es nun, durch ein korrelatives Vorgehen die bei der Anwendung der entwickelten Kompensationsverfahren erzielten Werkstoffmodifikationen mit den Ergebnissen der Gefügecharakterisierung mit mikrostrukturanalytischen Verfahren zu verknüpfen. Insbesondere durch den Einsatz von korrelativen Charakterisierungsverfahren können dabei die Mechanismen der Bildung von den Erstarrungsgefügen umfassend identifiziert und quantifiziert werden. In Zusammenarbeit mit den betroffen Teilprojekten können auf der Basis der skalenübergreifenden Gefügedaten konkrete Möglichkeiten aufgezeigt werden, um die Kompensationsmechanismen und die Bauteileigenschaften für schmelztechnische Prozesse wie das Laserschweißen oder das Löten gezielt einzustellen. Dabei sollen insbesondere auch simulationsrelevante Größen wie z.B. die Gefügeparameter, Defektdichten, lokale Eigenspannungen oder das Verformungsverhalten von Einzelkörnern in Abhängigkeit von der Kornorientierung quantitativ ermittelt werden. Ziel des vorliegenden Teilprojekts ist es, auf Grundlage der Gefügeanalytik die Datenbasis für eine vollständige Beschreibung der Werkstoff- und Bauteilmodifikationen aufzustellen, mit deren Hilfe zukünftige erstarrungsrelevante Einflüsse mit theoretischen Mitteln vorhergesagt werden können.

Die skalenübergreifenden korrelativen Analytikaktivitäten am GFE unterteilen sich demnach in die folgenden Haupttätigkeitsbereiche:

  • Erstarrungsgefüge, Grenzflächenphänomene an der fest-flüssig Phasengrenze und Gefügeveränderungen in der Wärmeeinflusszone werden sowohl post mortem als auch in situ untersucht
  • Erarbeitung von Vorgehensweisen zur Erstellung werkstofflicher digitaler Zwillinge über Materialcharakterisierung mit korrelativen Verfahren der Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie sowie der Mikro- und NanoCT Röntgentomographie
  • Durchführung von in situ-Experimenten zur hochlauflösenden Charakterisierung schmelztechnischer Vorgänge und Erstarrungsphänomene sowohl im Heizexperiment als auch unter Laserbestrahlung

Übergeordnetes Ziel des vorliegenden Teilprojekts in Zusammenarbeit mit den entsprechenden weiteren Teilprojekten aus dem A- und B-Bereich des SFBs ist es, durch ein korrelatives Vorgehen mit skalenübergreifenden Charakterisierungsverfahren der Raster- und Transmissionselektronen-mikroskopie sowie der Mikro- und NanoCT-Röntgentomographie eine Basis für das Verständnis und die Beherrschung der ablaufenden Prozesse auf der Gefügeebene zu schaffen. Dies soll zum einen durch die Charakterisierung von Werkstoffen aus anderen Teilprojekten geschehen, zum anderen durch eine direkte Beobachtung von schmelzbehafteten Prozessen bei in situ-Experimenten. Die geplanten Aktivitäten des GFE ergeben sich damit zum einen aus dem Einsatz der elektronenmikroskopischen Materialcharakterisierung mit korrelativen Verfahren zur Optimierung der Werkstoffgefüge in den im SFB entwickelten Kompensationsverfahren und zur Erstellung werkstofflicher digitaler Zwillinge für den Austausch mit den Simulationsprojekten.

Zur Durchführung von in situ-Experimenten und zur hochauflösenden Charakterisierung schmelztechnischer Vorgänge und Erstarrungsphänomene in präzisionsrelevanten Prozessschritten steht das am GFE im Rahmen einer Großgeräteinitiative der DFG installierte Großkammer-Rasterelektronenmikroskop zur Verüfgung.

Zur Implementierung der korrelativen Charakterisierungsverfahren stehen die am Gemeinschaftslabor für Elektronenmikroskopie der RWTH Aachen installierten Raster- und Transmissionselektronen-mikroskope, die ultrahochauflösenden Elektronenmikroskope am Ernst Ruska-Centrum am Forschungszentrum Jülich, sowie die unter Federführung des Teilprojektleiters Anfang 2022 an der RWTH zu installierenden NanoCT- und MikroCT-Instrumenten im Hochschulbau CARL (Förderung nach §91b Hochschulbauförderungsgesetz) zur Verfügung. Zum einen können dabei die Mechanismen der Bildung von den Erstarrungsgefügen auf Gefügeebene umfassend identifiziert und quantifiziert werden. Zum anderen kann das Teilprojekt auf der Basis der skalenübergreifenden Gefügedaten konkrete Möglichkeiten aufzeigen, um die Kompensationsmechanismen für Verzug, Poren und Eigenspannungen zu optimieren und die Bauteileigenschaften für den konkreten Anwendungsfall gezielt einzustellen.

Die Abbildung fast beispielhafte Ergebnisse aus den in situ-Experimenten und mit verschiedenen Methoden gewonnenen korrelativen E rgebnissen zusammen.

 
Ergebnisse aus den in situ-Experimenten Urheberrecht: © SFB 1120