Multiskalare Tomografie zur Charakterisierungvon Metallen

Die drei-dimensionale (3D) Beschreibung von inneren Strukturen und Einlagerungen in Werkstoffe liefert verbesserte Möglichkeiten zur Qualitätsbeurteilung von Werkstoffen und Bauteilen. Werkstoffinhomogenitäten bewirken einerseits nützliche Eigenschaftsprofile, können aber auch die Gebrauchseigenschaften nachteilig beeinflussen. Die quantitative Beschreibung von Heterogenitäten - Größe, Phase, Form, örtliche Verteilung und Anordnung, Grenzflächen - ist die Voraussetzung für die Bewertung ihrer Wirkung auf das Werkstoff- bzw. Bauteilverhalten. Im letzten Jahrzehnt wurde die Röntgen-Computer- Tomographie (XCT) als zerstörungsfreie 3D Materialcharakterisierungsmethode entwickelt. Die Größen der Materialinhomogenitäten überdecken mehrere Größenordnungen, sodass die diesbezüglichen tomographische Methoden in ihrem örtlichen Auflösungsvermögen angepasst werden müssen. Industrielle XCT kann Heterogenitäten > 10 m abbilden, mit Mikrofokus- Röntgenröhren werden räumliche Auflösungsvermögen > 3 m, mit sogenannten Nanofokusröhren > 0,5 m erreicht. Mit Synchrotronstrahlung hoher Brillanz (ESRF) werden derzeit Details > 0,2 m abgebildet, beim Einsatz von zusätzlichen optischen Fokussierungen bis zu 0,04 m. Dabei ist aber zu beachten, dass der durchstrahlbare Durchmesser entsprechend klein gewählt werden muss: als Faustregel gilt, dass der Probendurchmesser < 1000x Ortsauflösung sein muss. Die Auswahl der Probenstelle gewinnt eine entscheidende Bedeutung, um die Repräsentativität einer 3D Darstellung für ein Material sicherzustellen. Mittels Absorptions- bzw. Phasenkontrast dargestellte Heterogenitäten bedürfen der Identifizierung mittels zerstörender Charakterisierungsmethoden: gezielte, metallografische Schliffpräparation für Auflichtmikroskopie (> 0,5 m), schichtweises Abtragen ausgewählter Probenbereiche mittels focussed ion beam (FIB) und rasterelektronenmikroskopische Abbildungen (FIB-REM-Tomographie mit > 10 nm Ortsauflösung). Sowohl die Größe der Heterogenität, aber auch die Größe der repräsentativen Probe erfordert die adäquate Wahl der tomografischen Methode. Projektziele: Der Einsatz der verschiedenen Methoden (Industrie-XCT bis Synchrotron-CT) wird für verschiedene Größen der Materialinhomogenitäten untersucht und systematisch bewertet. Auswahl der für die Darstellung bestimmter Heterogenitäten (Größenklassen 0,1 m bis 0,5 mm) geeigneten Tomographietechnik, wobei folgende Beispiele untersucht werden: dendritische und interdendritische Strukturen in Aluminiumgussgefügen; Einschlüsse und Poren geringer Auftrittswahrscheinlichkeit in gegossenen Stahlgefügen; Restporosität und deren 3D Zusammenhang in Sinterwerkstoffen; 3D Architektur von Verstärkungskomponenten in Metallmatrix-Verbundwerkstoffen. Simulationsmethoden für XCT für die untersuchten Materialkombinationen zur Unterstützung der geeigneten Wahl der Tomographie-Verfahren und zur Kontrastinterpretation. Korrelation der experimentellen Tomographien und der 3D Bildverarbeitungsmethoden mit den Simulationsrechnungen; Verifizierung über metallografische Methoden (Zielpräparation, FIBT). Systematisierung der Komplementarität der verschiedenen Tomographie-Methoden und Einbeziehung neuer Entwicklungen der Instrumente der Bildverarbeitung. Erwartete Ergebnisse: Methodologie zur Korrelation der Tomographiemethoden mit der Quantifizierbarkeit von Heterogenitäten der verschiedenen Größenklassen. Simulationsmethoden zur geeigneten Wahl der Messparameter für vorhersagbare Erkennbarkeit von Heterogenitäten. Bewertung der erzielbaren Ortsauflösung und Kontrasterkennbarkeit. Erfahrung im hierarchischen Einsatz der Tomographiemethoden für die Entwicklung und zur Qualitätsbewertung von Werkstoffen auf der Basis von 3D Gefügedaten.

Röntgentomografische Untersuchungsmethoden wurden in der Medizin Mitte des 20.Jahr-hunderts erfolgreich eingeführt. Energiereichere Feinfokus-Röntgenquellen verbunden mit erhöhter Computer-Rechenleistung ermöglichen seit etwa 25 Jahren den Einsatz der Röntgen-tomografie in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung. Technische Werkstoffe bestehen i.A. aus mehreren chemischen und physikalischen Bestandteilen, deren räumliche Anordnung mittels Tomografie dreidimensional abgebildet werden kann. Synchrotronstrahlen stehen seit Beginn dieses Jahrhunderts für den Einsatz in der Werkstoffforschung in Europa zur Verfügung. Die hohe Brillanz dieser Röntgenstrahlen erlaubt die Aufnahme hochauflösender Tomografien inner-halb weniger als 1 Minute, sodass Verformungen in belasteten Proben direkt beobachtet werden können. Die dreidimensionale, innere Architektur der Werkstoffe wird somit messbar, wodurch ihre Bedeutung für die Werkstoffeigenschaften erfasst werden kann. Maschinen werden großteils aus metallischen Werkstoffen hergestellt, deren Leistungsfähigkeit von der Zusammensetzung und der inneren Architektur der Bestandteile abhängt. Die Werkstoffbestandteile weisen verschie-dene Größenordnungen auf: von Nanometer bis Zentimeter. Stahl, Aluminiumlegierungen und Metallmatrix-Verbundwerkstoffe wurden im Gusszustand untersucht, um den dreidimensionalen Aufbau der Werkstoffbestandteile zu analysieren. Dafür wurden in diesem Projekt radiografische Methoden mit unterschiedlichem, räumlichem Auf-lösungsvermögen schrittweise eingesetzt: Mikroradiografie an der TU-Wien, Mikro- und Makro-tomografie an der FH-Wels, Synchrotron-Tomografie an der europäischen Strahlquelle ESRF in Grenoble, wo erstmals Poren kleiner als 1 Mikrometer in Stahl lokalisiert und in ihrer räumlichen Anordnung abgebildet wurden. Die 3-dimensionale Abbildung erlaubt sehr geringe Porenanteile in Metallen zu identifizieren: 1 Pore/cm 3 konnte in Sub-Mikrometer Größe gemessen, sowie ihre Position räumlich bestimmt werden. Die Erstarrungsstruktur der Legierungen konnte bis in Zentimetergröße abgebildet werden, was für Stahl erstmals realisiert wurde. Der Erstarrungs-vorgang von Aluminiumlegierungen konnte in Echtzeit abgebildet werden. Temperaturwechsel-belastungen neuer Metallmatrix-Verbundwerkstoffe und die dabei entstehende Materialschädi-gungen konnten erstmals beobachtet werden. Die besten in Europa verfügbaren, tomografischen Methoden wurden für die dreidimensionale Beschreibung metallischer Werkstoff über mehrere Größenskalen erprobt und in ihrer Leistungsfähigkeit bewertet. Damit stehen sowohl für die Werkstoffentwicklung als auch für die Prozesssteuerung und Qualitätskontrolle zerstörungsfreie Prüfmethoden hoher Präzision zur Verfügung, die in der Stahlherstellung, beim Gießen von Leichtlegierungen und im Einsatz von Metallmatrix-Verbundwerkstoffen zur Charakterisierung der inneren Architektur der Werkstoffe problemgerecht eingesetzt werden können.