Abbildung 1: Mikrostruktur von ausscheidungshärtenden Aluminiumlegierungen. Viele Materialien sind anfällig für Ermüdungsrisse im Bereich der ausscheidungsfreien Zonen (Bild links). Im Projekt ResAlFat soll untersucht werden, wie das Material über Selbstverstärkungsmechanismen (Nachhärtung im Bauteileinsatz) diese Sollbruchstellen abmildern kann (Bild rechts).

ResAlFat

Abbildung 2: Quantenbasierte Messapparatur (NV-Scanner) des Fraunhofer IAF zur hochgenauen Erfassung der lokalen Leitfähigkeit basierend auf Stickstoffvakanzzentren (NV) in der Diamantsonde. (© Fraunhofer IAF)

Projekttitel: Werkstoff-Resilienz von Aluminiumbauteilen durch neuartige Selbstverstärkungsprozesse im Bauteileinsatz für eine gesteigerte Ermüdungs(Fatigue)-Festigkeit

In der Erdkruste ist Aluminium nach Sauerstoff und Silizium das dritthäufigste Element. Das Eigenschaftsprofil mit einer besonders günstigen Kombination aus hoher elektrischer Leitfähigkeit und mechanischer Belastbarkeit bei gleichzeitig geringer Dichte führt zu einem großflächigen Einsatz als Konstruktions- und Elektronikwerkstoff.

Ziel des Projektes ResAlFat ist es, die Widerstandsfähigkeit von Aluminium gegenüber mechanischen Belastungen im Bauteileinsatz erheblich zu steigern. Anhand eines neuartigen Ansatzes sollen sich selbstverstärkende, intelligente Materialien entwickelt werden, die eine bessere Ermüdungsfestigkeit aufweisen. So wird schließlich durch reduzierten Materialeinsatz ein nachhaltiger, ressourcenschonender Leichtbau - z.B. im Bereich Elektromobilität - ermöglicht. Der innovative Ansatz besteht darin, dass der Werkstoff während der Belastung im Bauteileinsatz aushärten kann. Die Aushärtung beruht dabei auf der Bildung von Ausscheidungen, d.h. kleinster Partikel intermetallischer Phasen, die in die Kristallstruktur eingebettet sind und somit Versetzungsbewegungen behindern. Es resultiert eine Steigerung von Festigkeit und Härte. Das Material wird zunächst mit wenigen mechanischen Belastungszyklen „trainiert“. Die finale Ausscheidungsstruktur bildet sich jedoch erst im Bauteileinsatz aus. Das Material kann so den anwendungsspezifischen Belastungen gezielt entgegenwirken und im Bauteileinsatz eine entsprechende Werkstoff-Resilienz aufbauen. Um den neuartigen Ansatz nutzen zu können, müssen im Projekt entsprechend abgestimmte Methoden zur Prozessierung erarbeitet werden. Des Weiteren werden Möglichkeiten zur hochgenauen, zerstörungsfreien Messung des Ausscheidungszustandes basierend auf neuesten quantenbasierten Messmethoden untersucht, die auf der Korrelation zwischen Ausscheidungskonzentration und elektrischer Leitfähigkeit beruhen.

Ein Gewinn des Projektes ist, dass mit neuen Prozessierungsrouten auf eine energieaufwendige Wärmebehandlung verzichtet werden kann. Die Verfahren können darüber hinaus genutzt werden, um die Belastbarkeit von rezykliertem Material gezielt zu steigern und so im Sinne des Nachhaltigkeitsgedankens die Recyclingquoten in hochbelasteten Anwendungen zu erhöhen.