Entspannungskur für Aluminium

Aluminium-Rohteile sind nicht ohne Eigenspannung produzierbar. Bei der späteren Bearbeitung verzieht sich das Material und es entstehen Ungenauigkeiten. Insbesondere zum Beispiel im Flugzeugbau ist das jedoch problematisch. Neutronenmessungen am MLZ zeigten, dass ein neuer Prozess die Eigenspannungen fast komplett reduziert.

Dr. Joana Rebelo Kornmeier am Instrument STRESS-SPEC. (Foto: Fernando Alves)

Produktion von Aluminium-Rohteilen durch Schmieden. (Foto: Jeremy Robinson)

Ein Roboter hält und dreht die Probe im Neutronenstrahl am Instrument STRESS-SPEC. (Foto: Joana Rebelo Kornmeier)

In geschmiedeten Aluminium-Rohteilen entstehen sogenannte Eigenspannungen: Denn beim notwendigen Abschrecken in Wasser nimmt die Temperatur in den Werkstücken außen schneller ab als innen. Deshalb verteilen sich die Legierungsbestandteile nicht gleichmäßig, Spannungen entstehen. Diese Eigenspannung kann beim späteren Verarbeiten zu Verformungen und Rissen führen, die z.B. im Flugzeugbau unbedingt vermieden werden müssen.

Wie löst man Eigenspannungen?

Um diese Eigenspannung zu reduzieren, hat Professor Jeremy Robinson von der Universität Limerick, Irland, das „Uphill-Quenching“ getestet. Dabei kühlte der Forscher das Material nach dem Abschrecken mit Wasser zusätzlich mit Flüssigstickstoff und erwärmte es anschließend mit heißem Wasser oder überhitztem Wasserdampf für kurze Zeit erneut.

Der Flüssigstickstoff friert sämtliche Legierungsbestandteile aus. Anschließend verteilen sie sich beim Erwärmen gleichmäßig. So minimieren sich die Eigenspannungen, was die Messung mit Neutronen am Instrument STRESS-SPEC des MLZ erstmalig zeigte.

Zerstörungsfreie “Stress”- Messung mit Neutronen

Der Ingenieurwissenschaftler aus Irland führte seine Messungen mit Kollegen am Instrument STRESS-SPEC durch. Es zeigte sich: Das Erwärmen mit kochendem Wasser senkte die Eigenspannung um 20%, mit überhitztem Wasserdampf, über das gesamte Werkstück gerechnet, aber nur um 14%. „Das liegt daran, dass der Dampf nur sehr lokal wirkt. Dort wo der Dampf auftrifft, wird die Eigenspannung fast komplett reduziert. Wenn wir den Wasserdampf auf der ganzen Oberfläche anwenden, können wir noch viel mehr bewirken. Das erforschen wir aktuell“, so Dr. Joana Rebelo-Kornmeier, Instrumentwissenschaftlerin am STRESS-SPEC.

Dass das Verfahren so wirkt, hat man zwar schon lange vermutet. Da Neutronendiffraktion erst in den vergangenen Jahrzehnten an Bedeutung gewonnen hat, waren zuvor kaum quantifizierbare Einblicke möglich. Aluminium ist für Neutronen quasi transparent, so dass sie – im Gegensatz zu Röntgenstrahlung – sehr tief und gleichzeitig zerstörungsfrei eindringen.

Renaissance des Aluminiums

Weil Eigenspannungen in komplexen Teilen erhebliche Nachteile mit sich bringen, verwendet die Industrie in den vergangenen Jahren eher Faserverbundwerkstoffe (Karbonfasern). Diese sind in der Herstellung kostspielig und – im Gegensatz zu Aluminium – kaum wiederverwertbar. Aufgrund der Ergebnisse sind die Wissenschaftler optimistisch, Aluminium als Werkstoff zu einer Renaissance zu verhelfen.

 

Originalveröffentlichung:
J. S. Robinson, C. E. Truman, A. O’Donovan & J. Rebelo Kornmeier
Uphill quenching to reduce residual stress in a heat treatable aluminium alloy
Materials Science and Technology, 35 (2019)
https://doi.org/10.1080/02670836.2019.1651986