Neue Charakterisierung der Al-Cu-X (X=Si,Zn) Phasendiagramme

Legierungen auf der Basis von AlCu und AlCuSi/Zn sind unter anderem für die Automobil- und Luftfahrtindustrie von großem Interesse; das AlCuZn System hat zusätzlich ein großes Potential für die Entwicklung von Shape Memory Alloys. Für das Design solcher Materialien spielt die genaue Kenntnis des Gleichgewichts-Phasendiagramms eine entscheidende Rolle. Phasendiagramme werden üblicherweise zuerst experimentell charakterisiert und anschließend über theoretische Modelle nach dem sogenannten CALPHAD-Verfahren beschrieben. Hierbei werden die thermodynamischen Eigenschaften sequentiell (beginnend mit den Elementen und hin zu komplexen Mehrstoffsystemen) modelliert. Die resultierende detaillierte Beschreibung der Stabilitäten und Gleichgewichte erlaubt die weitgehende Rationalisierung der Materialentwicklung und hat auch für die Vorhersage von Materialeigenschaften große Bedeutung. Das vorliegende Projekt hat die vollständige Beschreibung der beiden Phasendiagramme Al CuSi und AlCuZn zum Ziel. Dies soll durch die Kombination experimenteller Charakterisierung mit nachfolgender CALPHAD-Optimierung erreicht werden. Der Schwerpunkt der experimentellen Arbeiten liegt in der Aufklärung bisher unzureichend oder in der Literatur kontrovers beschriebener Teile der Phasendiagramme. Dies umfasst die Hochtemperatur-Gleichgewichte im Cu-reichen Teil des Systems AlCuSi, sowie in der genauen Beschreibung der -Messing Phase und der ternären intermetallischen Phasen im System AlCuZn. Die stabilen ternären Phasen sind zwar aus der Literatur bekannt, wurden aber weder in ihrer Kristallstruktur noch in ihren thermodynamischen Eigenschaften ausreichend charakterisiert. Solche Phasen können allerdings erheblichen Einfluss auf die Eigenschaften von neuentwickelten Legierungen haben. Die Modellrechnungen werden sowohl auf den eigenen experimentellen Daten, als auch auf Literaturdaten und quantenchemischen Berechnungen basieren. Einerseits ist es geplant diese Modelle auf der Grundlage der weitverbreiteten SGTE-Elementbeschreibungen zu entwickeln, um die Konsistenz mit bestehenden Modellen zu wahren. Zusätzlich wird aber auch eine neue, verbesserte Generation von Elementbeschreibungen implementiert, um den neuesten Entwicklungen in der CALPHAD-Modellierung Rechnung zu tragen.

Hochentwickelte Aluminiumlegierungen sind vor allem für die Fahrzeug- und Luftfahrtindustrie von Interesse. Für die Entwicklung und Optimierung verbesserter Legierungen ist die genaue Kenntnis der zugrundeliegenden Phasendiagramme unabdingbar, da nur mit Kenntnis der Phasengleichgewichte und -stabilitäten schnell und kostensparend neue Materialien entwickelt werden können. In diesem Projekt wurde die vollständige Beschreibung der ternären Legierungssysteme Al-Cu-Si und Al-Cu-Zn angestrebt, wobei experimentelle Untersuchungen mit theoretischer Modellierung nach der CALPHD-Methode kombiniert wurde. Dabei wurde im experimentellen Teil vor allem diejenigen Teile der Legierungssysteme untersucht, für die nur unzureichende oder widersprüchliche Literatur vorhanden war. Im experimentellen Teil des Projekts wurden selbst im allgemein als vollständig beschrieben angesehenen binären System Al-Cu verschiedene fehlerhafte Bereiche aufgespürt und neu beschrieben. Das Stoffsystem Al-Cu-Zn wurde im gesamten Temperatur- und Konzentrationsbereich experimentell untersucht, wobei das Hauptaugenmerk auf der Gleichgewichten der beiden strukturell eng verwandten Phasen vom Messingtyp _AlCu und '_CuZn lag. Hier wurde gefunden, dass die beiden Phasen unterhalb von 400C in zwei getrennten Phasenfeldern vorliegen, während bei höheren Temperaturen ein gemeinsames Homogenitätsgebiet mit einem strukturellen Übergang 2. Ordnung vorliegt. Während im System Al-Cu-Zn das isotherme Gleichgewicht bei den vier Temperaturen 400, 550, 700 und 820 erforscht wurde, wurden im System Al-Cu-Si die isothermen Schnitte bei 600 und 800C untersucht, sowie der schon zuvor untersuchte Schnitt bei 700 in Teilen korrigiert. Im theoretischen Teil des Projekts wurde ein thermodynamisches Assessment der Randsysteme Al-Cu, Cu-Si und Cu-Zn durchgeführt wobei die neuen experimentellen Ergebnisse verwendet wurden. Die Phasen mit Messingstruktur wurden dabei erstmalig mit einem komplexen Modell (4 Teilgitter) beschrieben, das der Kristallstruktur in optimaler Weise gerecht wird. Im ternären System Al-Cu-Zn wurde die ternäre Phase mit einem allgemeinen Modell beschrieben das auf der Grundlage der zuvor experimentell ermittelten Kristallstruktur entwickelt wurde. Zusätzlich wurde die Bildungsenthalpie der Phase mit einem ab-initio Ansatz berechnet. Er war damit insgesamt möglich, eine vorläufige thermodynamische Beschreibung der beiden Stoffsysteme Al-Cu-Zn und Al-Cu-Si nach der Calphad-Methode zu entwickeln. Zuletzt wurde auch noch ein neuartiges thermodynamisches Assessment der Systeme Al-Zn, Al-Si und Si-Zn durchgeführt wobei die sogenannte 3. Generation der Elementbeschreibungen verwendet wurde, deren generelle Einführung bei CALPHAD-Modellierungen in Zukunft erwartet wird. Für die Feststoffe wird hier das Einstein-Modell herangezogen, während für die Flüssigkeit das two-state Modell verwendet wurde. Mit diesen Modellen wird eine physikalisch besser fundierte Beschreibung der Systeme im gesamten Temperaturbereich ab 0 K ermöglicht.