Dr. Hajo Dieringa

Magnesiumlegierungen leiden verglichen mit Aluminiumlegierungen unter ihrer beschränkten Warmfestigkeit und Kriechbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen. Die Substitution von Aluminiumlegierungen durch Magnesiumwerkstoffe wird jedoch nur gelingen, wenn vergleichbare mechanische Eigenschaften eingestellt werden können. Eine Verstärkung mit Fasern und/oder Partikeln ist schon vor vielen Jahren in den Fokus der Forschung getreten, konnte jedoch nie in eine industrielle Umsetzung gebracht werden. In den letzten Jahren sind nanoskalige Partikel so preiswert geworden, dass sie als Verstärkungskomponente für Magnesiumlegierungen infrage kommen, um eine Orowanverfestigung zu erzeielen. Es kann erwartet werden, dass Festigkeit und Kriechbeständigkeit in einem Temperaturbereich bis 250°C deutlich verbessert werden können. Die Entwicklung einer Prozessroute und die erhaltenen hochfesten und kriechbeständigen Magnesiumwerkstoffe können die führende Position des Helmholtz-Zentrums Geesthacht im Bereich der Magnesiumforschung auszubauen helfen.
Eine der Herausforderungen ist die Entwicklung eines Prozess, bei dem die Partikel in die Schmelze eingerührt werden. Es ist wichtig, dass die Partikel gleichmäßig in der Matrix verteilt werden und es nicht zur Agglomeration der Teilchen kommt. Aus der Erfahrung mit mikroskaligen keramischen Partikeln kann davon ausgegangen werden, dass zusätzliche Energie in das System eingebracht werden muß, um die Partikel gleichmäßig zu verteilen und zu deagglomerieren. Dazu soll die Schmelze mit Ultraschall beaufschlagt werden. Winzige Blasen bilden sich während der Ultraschallbehandlung, die sofort wieder zerplatzen und dabei die Nanopartikel verteilen. Die zweite wichtige Herausforderung ist es, ideale Kombinationen von keramischen Partikeln und Magnesiumlegierungen zu finden. In Abhängigkeit von der Art der keramischen Teilchen und den Legierungselementen der Matrix kann es zu chemischen Reaktionen an der Grenzfläche kommen. Während eine dünnen Reaktionsschicht vorteilhaft sein kann, darf es nicht zu einer vollständigen Auflösung der Partikel in der Schmelze kommen. Daher müssen die chemischen Gegebenheiten und die ideale Prozessführung in die Forschung eingehen.
Neben den metallografischen Untersuchungen mittels REM/TEM und Röntgenbeugung müssen die mechanischen Eigenschaften bei Raum- und erhöhter Temperatur ermittelt werden. Kriechverhalten, thermische Ausdehnung und Verschleißeigenschaften sollen in weiteren Schritten untersucht werden.

Dr. Norbert Hort,
Prof. Dr.-Ing. Rainer Schmid-Fetzer

Die Viskosität unärer, binärer und mehrkomponentiger Legierungsschmelzen ist von erheblicher Bedeutung für die Theorie metallischer Schmelzen, aber ebenso für das Strömungsverhalten in metallurgischen Prozessen, wie Gießen, Schweißen und Erstarren. Das Ziel dieses Projektes ist die Erarbeitung eines Modells für die Viskosität flüssiger Legierungen sowie die Kombination mit experimentellen Untersuchungen von Magnesium- Legierungsschmelzen. Die Vorhersageeigenschaften dieses Modells zur Berechnung der Konzentrations- und Temperaturabhängigkeit der Viskosität in weiten Bereichen mehrkomponentiger Legierungen wird gesteigert durch Implementierung konsistenter Calphad-Beschreibungen der Legierungsthermodynamik. Die Validierung des generellen Modells erfolgt in unterschiedlichen metallischen Schmelzen, wie etwa Lot-, Aluminium- und Magnesiumlegierungen, um den Nutzen für eine mögliche Integration in Software zur Berechnung thermodynamischer und thermophysikalischer Eigenschaften sowie die Erstarrungsmodellierung insgesamt zu zeigen. Darüber hinaus werden systematisch neue experimentelle Daten für die Viskosität aber auch die Dichte von Magnesium- Legierungsschmelzen erarbeitet und mit dem validierten analytischen Modell unter Einbeziehung der Legierungsthermodynamik kombiniert. Dadurch wird eine zuverlässige Berechnung der Schmelzviskosität ermöglicht, auch für sich rasch ändernde Werte der Zusammensetzung und Temperatur einer (Rest)-Schmelze. Dies ist für Erstarrungsprozesse und deren Modellierung für Magnesiumlegierungen bedeutsam.

Prof. Regine Willumeit,
Dr. Norbert Hort