Development and characterisation of an ultrafine-grained Al-Mg-Si alloy for space applications

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenMasterarbeit

Abstract

In dieser Arbeit werden Legierungen im Al-Mg-Si System für die Anwendung im Weltraum untersucht. Um für Weltraumanwendungen geeignet zu sein, muss eine Legierung eine Reihe an Anforderungen erfüllen. Dazu zählen unter Anderem ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, hohe thermische Leistung sowie eine optimale Strahlungsabschirmung und -beständigkeit. Aluminium und seine Legierungen gelten aufgrund ihrer geringen Dichte und gleichzeitig hohen Festigkeiten als geeignete Optionen. Ihre Fähigkeit, die Festigkeit durch Aushärtung zu erhöhen, macht Aluminiumlegierungen zu strategischen Materialien für zukünftige Raumfahrtprogramme. Die Aushärtung erfolgt über die Bildung von Ausscheidungen, die Versetzungsbewegungen hindern und so die Festigkeit erhöhen. Im Weltraum kann allerdings die Bestrahlung mit energiereichen Partikeln von der Sonne zu einer Schädigung von Aluminiumlegierungen führen. Sie verursacht sowohl die Auflösung von Ausscheidungen als auch die Bildung umfangreicher Netzwerke von Versetzungsringen. Neue, ultrafeinkörnige (UFG) Aluminiumlegierungen bieten das Potential, die schädlichen Auswirkungen der Bestrahlung mit energiereichen Teilchen abzumildern, da die grosse Dichte von Korngrenzen die schnelle Ausheilung von Strahlungsschäden ermöglicht. Die Entwicklung einer UFG-Aluminiumlegierung mit hoher thermischer Stabilität gegen Rekristallisation stellt jedoch eine grosse Herausforderung dar. Deshalb stellt ein Schwerpunkt dieser Arbeit die Synthese einer UFG-Legierung AA6061 mit der Methode der sogenannten severe plastic deformation¿ (SPD), genauer der Hochdrucktorsion (HPT), dar. Die Arbeit umfasst neben einer Machbarkeitsanalyse und der Synthese auch den Vergleich des Ausscheidungsverhaltens in der UFG AA6061-Legierung zu dem grobkörnigen Pendant (CG). Dazu kommt eine Kombination von Techniken wie dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) und Raster/Transmissions Elektronenmikroskopie (S/TEM) zum Einsatz. Die thermische Stabilität der UFG AA6061-Legierung wurde auch mittels TEM-Experimenten in-situ untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass das Phänomen der Ausscheidungshärtung stark von der durchschnittlichen Korngrösse der beiden Legierungen CG und UFG AA6061 abhängig ist. Das Phänomen der Ausscheidungshärtung wurde in der UFG-Legierung nachweislich beschleunigt, was sich in der Tatsache widerspiegelt, dass metastabile Zwischenphasen wie Beta'' in der UFG AA6061-Legierung nicht beobachtet wurden und dass sich die Gleichgewichtsphase Beta bei niedrigeren Temperaturen schnell bildete. Mittels analytischer S/TEM-Mapping-Techniken wurde festgestellt, dass die UFG AA6061-Legierung im Vergleich zur CG AA6061-Legierung nur eine begrenzte Ausscheidungsfähigkeit aufweist, die hauptsächlich an intragranularen Positionen und mit geringen Volumendichten stattfindet. Diese Eigenschaften führen dazu, dass das UFG Material bei 180 °C rekristallisiert, wie in in-situ Erhitzungsexperimenten festgestellt wurde. Diese Arbeit zeigt das Potenzial von UFG-Aluminiumlegierungen für Raumfahrtanwendungen, unterstreicht aber auch den Unterschied zwischen der UFG-Legierung AA6061 und den Crossover-Aluminiumlegierungen AlMgZnCuAg im UFG-Zustand, die aufgrund ihrer hohen Volumendichte an T-Phasenausscheidungen und ihrer niedrigeren Bildungsenthalpie für Ausscheidungen (im Vergleich zu den Beta-Ausscheidungen in AA6061-Legierungen) die Bewegung der Korngrenzen einschränken und die Rekristallisation durch intragranulare Ausscheidungen und Wachstum verzögern.

Details

Titel in ÜbersetzungEntwicklung und Charakterisierung einer ultrafeinkörnigen Al-Mg-Si-Legierung für Raumfahrtanwendungen
OriginalspracheEnglisch
QualifikationMSc
Gradverleihende Hochschule
Betreuer/-in / Berater/-in
Datum der Bewilligung18 Okt. 2024
DOIs
StatusVeröffentlicht - 2024