FSW-Leg – Synthese von Nicht-Gleichgewichts-Legierungen durch Rührreibschweißprozesse

Motivation

Friction Stir Processing (FSP) ist ein analoges Verfahren zum Rührreibschweißen (engl: Friction Stir Welding, FSW). Aus werkstoffkundlicher Sicht ist die Bearbeitung metallischer Werkstoffe durch Rührreibprozesse wie FSW oder FSP in hohem Maße interessant, da das Werkstoffgefüge während der Verarbeitung einzigartigen Bedingungen ausgesetzt wird. Die erzielten Nahteigenschaften können insbesondere wegen der feinkörnigen Gefügestruktur, die sich aufgrund der dynamischen Rekristallisation in der Prozesszone einstellt, sehr hohe Qualitäten erreichen. So wird das FSP genutzt, um an Werkstücken das Gefüge lokal zu veredeln.

Die Möglichkeit des mechanischen Legierens durch Rührreibprozesse wurde in zahlreichen Veröffentlichungen aufgezeigt. Die beschriebenen Ergebnisse basieren jedoch weitestgehend auf werkstoffkundlichen Untersuchungen und werden kaum auf prozesstechnische Vorgänge zurückgeführt. Somit fehlt bislang ein fundiertes und umfassendes Wissen über legierungsbildende Vorgänge bzw. deren Einflussgrößen und eine Möglichkeit, diese durch prozesstechnische Maßnahmen zu steuern.

Zielsetzung

Ziel des Projektes ist es, Verständnis über die Einsatzmöglichkeiten der Rührreibprozesse als Methode zur Herstellung von Zwangslegierungen oder von Materialien mit lokal modifizierter Zusammensetzung zu erlangen. Hierzu soll zum einen das Verständnis der prozesstechnischen Erfordernisse vertieft werden, zum anderen sollen die metallkundlichen Vorgänge beim mechanischen Legieren metallischer Werkstoffe durch Rührreibprozesse untersucht werden.

Vorgehen

Zunächst wird das Einrichten des prozesstechnischen Versuchsaufbaus und der werkstoffkundlichen Untersuchungsmethoden betrachtet. Gegenstand der experimentellen Untersuchungen ist primär ein Aluminiumwerkstoff im Blechformat der 2000er Legierungsklasse, der zur Rekristallisationshemmung mit Zirkonium (Zr) auflegiert werden soll. Des Weiteren ist zur Festigkeitssteigerung des Werkstoffes Aluminium AA1050 geplant, dessen thermomechanische Legierbarkeit mit Eisen (Fe) (geringe Löslichkeit) und Kupfer (Cu) (hohe Löslichkeit) aufzuzeigen. Im besonderen Fokus steht dabei der ressourcenschonende Umgang mit den zum Teil sehr kostenintensiven Versuchswerkstoffen. Außerdem wird eine geeignete Einrichtung entwickelt, um eine genaue Betrachtung der Prozessgrößen anhand z. B. detaillierter Temperaturmessungen und die Auswertung der Maschinendaten (Drehmoment-, Prozesskraft- und Werkzeugpositionsverlauf) zu erlauben sowie einen robusten Prozessablauf zu gewährleisten. Bei den werkstoffkundlichen Untersuchungen werden beispielsweise auf Rasterelektronenmikroskopie (REM), energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX), Electron Backscatter Diffraction (EBSD) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) zurückgegriffen, um die Prozesszone zu charakterisieren.

Anhand der empirischen Untersuchungen wird der Prozess des mechanischen Legierens bei Rührreibprozessen analysiert. Besonderer Fokus liegt dabei auf der Untersuchung des thermischen Energieeintrags und der Verteilung des Zusatzwerkstoffes innerhalb der Prozesszone. Hierbei werden im Zuge einer statistischen Versuchsplanung ausgewählte Prozessparameter, die geometrische Ausgangsform des Zusatzwerkstoffes und die geometrische Form der Einbringung systematisch variiert. Diese Analyse wird es den Projektpartnern ermöglichen, eine Strategie zur Optimierung der Legierungsbildung zu entwickeln. Desweiteren werden Abhängigkeiten zwischen den in der Analyse bestimmten Kenngrößen der Partikelverteilung sowie der Legierungsbildung und den Parametern des FSW-Prozesses bestimmt und in einem empirisches Prozessmodell abgeleitet.

Danksagung

Das Projekt „FSW-Leg“ wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.