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Evaluierung der Kornfeinung von Aluminium in der Luft- und Raumfahrtindustrie

Dienstag, 20. November 2018

Evaluierung der Kornfeinung von Aluminium in der Luft- und Raumfahrtindustrie

Die Luftfahrtindustrie stellt immer höhere Anforderungen an die Eigenschaften von Aluminiumlegierungen für den Flugzeugbau. Die Kornfeinung bietet eine Möglichkeit, die Festigkeit und Duktilität von Aluminiumlegierungen zu verbessern. Integrierte Analyselösungen wie Clemex Vision PE vereinfachen und beschleunigen das Beobachten und Quantifizieren der Auswirkungen der Kornfeinung.

Aluminium ist ein zentrales Metall in der Luft- und Raumfahrtindustrie. Die meisten Flugzeugteile, einschließlich Rumpf, Flügel und der tragenden Strukturen, werden aus Aluminiumlegierungen hergestellt,  da sie leicht und kostengünstig sind. Außerdem lassen sie sich problemlos und kostensparend herstellen und formen. Des Weiteren können die Eigenschaften von Aluminiumlegierungen an die Anforderungen spezifischer Anwendungen im gesamten Flugzeug angepasst werden. Daher überrascht es nicht, dass Aluminium und seine Legierungen seit dem vergangenen Jahrhundert das vorherrschende Material in Flugzeugen sind.1,2,3

Aufgrund der Globalisierung hat sich die Nachfrage nach Flugzeugen und Aluminiumlegierungen stark erhöht. Doch die Luftfahrtindustrie braucht nicht nur mehr, sondern günstigere Flugzeuge, die weniger kostspielig im Betrieb und einfacher zu warten sind, damit die Einsparungen durch niedrigere Preise für Flugtickets an die Verbraucher weitergegeben werden können. Ein höheres Umweltbewusstsein und immer strengere Vorschriften machen auch eine bessere Treibstoffeffizienz, weniger Emissionen und eine geringere Umweltbelastung erforderlich.1,4

Bessere Materialien = günstigere Flugzeuge mit weniger Emissionen

Eine verbesserte Materialleistung ist eine Möglichkeit, die Kosten der Luftfahrt und die Umweltbelastung zu reduzieren. Stärkere, langlebigere und korrosionsbeständigere Materialien senken auch die Wartungskosten und erhöhen die Lebensdauer.4

Um mit den Anforderungen der Luftfahrtindustrie Schritt zu halten und mit neuen Materialien wie Verbundwerkstoffen zu konkurrieren, ist es unabdingbar, bessere Aluminiumlegierungen zu entwickeln. Dies wurde 2015 von der Europäischen Kommission mit der "European Metallurgical Roadmap of 2050" anerkannt, welche die Entwicklung von Aluminiumlegierungen mit verbesserter Festigkeit, Formbarkeit und Korrosionsbeständigkeit unterstützen soll.6

Die Leistungsfähigkeit und spezifischen Eigenschaften von Aluminiumlegierungen hängen von ihrer Zusammensetzung und Mikrostruktur ab. In den letzten Jahrzehnten wurden verschiedene Methoden wie Legierung, Kaltumformung, Aufreinigung und Wärmebehandlungen entwickelt, um die Leistungseigenschaften von Aluminium zu verbessern. Die Kornfeinung zählt jedoch zu den erfolgreichsten Methoden zur Verbesserung der Festigkeit und Plastizität von Aluminiumlegierungen und ist inzwischen gängige industrielle Praxis.1-5

Kornfeinung verbessert die Leistungsfähigkeit von Aluminium

Die Korngröße ist einer der wichtigsten mikrostrukturellen Faktoren, die die Eigenschaften von Aluminiumlegierungen beeinflussen. Feine, gleichachsige Körner führen im Allgemeinen zu isotropen mechanischen Eigenschaften, reduzierter Porosität und einem festen Material. Die Korngröße kann mittels Kornfeinung verringert werden. Dieser Prozess beruht auf der Rekristallisation, die thermisch, mechanisch oder chemisch erreicht werden kann.7,8

Thermische Methoden der Kornfeinung beinhalten die Steuerung der Abkühlgeschwindigkeit von geschmolzenen Aluminiumlegierungen während der Herstellung, um die Nukleation und das Kornwachstum zu beeinflussen. Mechanische Methoden der Kornfeinung verwenden Bewegungsprozesse wie Schütteln oder Umrühren, um das Kornwachstum während des Abkühlens und der Erstarrung zu begrenzen.7,8

Bei chemischen Kornfeinungsverfahren wird vor dem Guss ein Kornfeinungszusatz zugegeben, i.d.R. Titan- und/oder Bor-Vorlegierungen. Kornfeinungszusätze erhöhen die Nukleation und verhindern Kornwachstum, was kleinere Korngrößen zur Folge hat.

Die Menge, Form, Größe und Qualität der Zusätze beeinflussen die endgültige Korngröße und Struktur der Legierung. Die chemische Kornfeinung gilt als die effektivste und gängigste Methode zur Erzielung feiner, gleichmäßiger Körner.7,8,9

Beobachten der Auswirkungen der Kornfeinung

Durch Untersuchen der Mikrostruktur und Korneigenschaften von Aluminiumlegierungen können Hersteller die Auswirkungen der Verfeinerung auf die Kornstruktur beobachten. Außerdem lässt sich so feststellen, welche Methoden der Kornfeinung am erfolgreichsten sind und wie sich die Prozessbedingungen optimieren lassen. Die Messung der Korngröße und Analyse der Korngleichmäßigkeit können zahlenmäßige Hinweise auf die Wirksamkeit der Kornfeinung geben.10

Die Mikrostrukturanalyse wird in der Regel mithilfe eines Mikroskops durchgeführt, um die Körner in der fertigen Aluminiumlegierung zu beobachten. Viele Qualitätskontrolllabors schätzen die Korngröße, indem sie die durch das Mikroskop betrachteten Körner mit einer Tabelle vergleichen. Da diese Schätzung jedoch durch den Anwender vorgenommen wird, kann sie ungenau sein.

Zudem wird die Korngrößenverteilung nicht beobachtet. Die Korngrößen können zwar manuell gemessen werden, doch dieser Vorgang ist sehr zeitaufwändig. Die einfachste, schnellste und zuverlässigste Methode zur Messung der Korngröße und Beobachtung anderer Korneigenschaften ist die Verwendung einer fortschrittlichen Bildanalyselösung, beispielsweise Clemex Vision PE.10-13

Software zur präzisen Erfassung der Korngrenzen für die Korncharakterisierung mit hohem Durchsatz

Clemex Vision PE ist ein wichtiges Werkzeug zur Korncharakterisierung in der Aluminiumlegierungsforschung der Luft- und Raumfahrtindustrie. Weltweit nutzen Forscher Clemex Vision Bildanalysen für genaue und zuverlässige Korngrößenmessungen von Aluminiumlegierungen.9,14-16

Mittels Polarisationsmikroskopie und Farbfilter kann Clemex Vision PE alle Körner unterscheiden und Korngröße, -form und -verteilung automatisch präzise analysieren (siehe Abbildung 2).12,13,17

Abbildung 2: Originalbild von eloxiertem Aluminium mit Farbfiltern betrachtet (links), das Bild mit automatisch erkannten Kornkonturen überlagert (Mitte), Korngrößenverteilung (rechts)17

Clemex Vision PE ist jedoch nicht nur für die Forschung an Aluminiumlegierungen geeignet, sondern auch als ideales Mehrzweck-Bildanalysesystem für Forschungslabors in der Metallindustrie. Es ist flexibel, effizient, einfach zu bedienen

und liefert eine Reihe von genauen Analysen, die für die metallurgische Forschung relevant sind, einschließlich Dendritenarmabstand, Schichtdicke, Korngröße, Oberflächenrauheit und Phasenanteil. Zudem ermöglicht es unbegrenzte kundenspezifische Bildanalysen. Dieses Hochdurchsatzsystem liefert Ihnen zuverlässig eindeutige, verständliche Berichte und hilfreiche, hochaufgelöste Labordaten.

Referenzen und weiterführende Literatur  

  1. "A review on the use of aluminium alloys in aircraft components" – Yashpal K, Jawalkar CS, Kant S, Journal on Material Science, 2015.
  2. "Aluminum – Specifications, Properties, Classifications and Classes" https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=2863
  3. "Aerospace Materials and Material Technologies" – Eswara Prasad N, Wanhill RJH, Springer, 2017.
  4. "Innovation in Aerospace"

https://www.raeng.org.uk/publications/reports/innovation-in-aerospace

  1. "Introduction to Aerospace Materials" – Mouritz A, Woodhead Publishing, 2012.
  2. "Metallurgy"

https://ec.europa.eu/research/industrial_technologies/pdf/metallurgy-made-in-and-for-europe_en.pdf

  1. "Recent advances in grain refinement of light metals and alloys" – Easton MA, Qian M, Prasad A, StJohn DH, Current Opinion in Solid State and Materials Science, 2016.
  2. "A Review on Grain Refinement of Aluminum Alloys: Progresses, Challenges and Prospects" – Guan RG, Tie D, Acta Metallurgica Sinica, 2017.
  3. "Optimum grain refining with a high performance master alloy" – Vainik R, Courtenay J, Byrant M, Aluminium Today International, 2009.
  4. "Aluminum Properties and Physical Metallurgy" – Hatch JE, ASTM International, 1984.
  5. "ASTM E112-13 Standard Test Methods for Determining Average Grain Size" – ASTM International, 2013.
  6. "Clemex Vision PE: The most complete image analysis solution"

https://www.clemex.com/en/Products/Multipurpose-Image-Analysis/Clemex-Vision-PE/Description

  1. "The most complete image analysis solution"

https://www.clemex.com/clemex/media/assets/pdf/Image-Analysis-Systems/Brochures/Clemex-Vision-PE-EN.pdf?ext=.pdf

  1. "Effect of grain refinement on mechanical properties and sliding wear resistance of extruded Sc-free 7042 aluminum alloy" – Vasheghani Farahani M, Emadoddin E, Emamy M, Honarbakhsh Raouf A, Materials & Design, 2014.
  2. "Mechanical Properties and Microstructural Characteristics of Friction Welded Dissimilar Joints of Aluminium Alloys" – Sundara Bharathi SR, Rajeshkumar R, Razal Rose A, Balasubramanian V, Transactions of the Indian Institute of Metals, 2018.
  3. "Transient Liquid Phase Bonding of AA-6063 to UNS S32304 Using Cu Interlayer" – Saleh MI, Khan TI, Roven HJ, Procedia Chemistry, 2016.
  4. "Grain Size Characterization in Aluminum Alloys" https://www.clemex.com/clemex/media/assets/pdf/Applications/Image-Analysis-Reports/130_Aluminium_GrainSize.pdf?ext=.pdf