Strukturelle Umordnungen in Aluminiumlegierungen

Abstract

Aluminiumlegierungen zeichnen sich vor allem durch die Kombination von guten Festigkeitseigenschaften mit einem geringen spezifischen Gewicht aus. Aus diesem Grund finden sie breite Verwendung in jenen Bereichen, die zwingend eine Leichtbauweise erfordern. Eine besondere Rolle, zum Beispiel im Flugzeugbau, spielen dabei aushärtbare Aluminiumlegierungen, deren Eigenschaften durch eine thermomechanische Behandlung eingestellt werden können. Obwohl diese Legierungssysteme, zu denen u.a. Al-Cu-Mg und Al-Mg-Si zählen, bereits seit fast hundert Jahren intensiv untersucht worden sind, besteht insbesondere hinsichtlich der Ausscheidungsfrühstadien noch erheblicher Klärungsbedarf. Für viele experimentelle Methoden der Festkörperphysik ist der in diesen Stadien verfügbare Kontrast aufgrund der geringen Größe der sich bildenden Strukturen zu gering. Um dieses Kontrastproblem zumindest teilweise zu umgehen, wurden in dieser Arbeit die Positronenannihilations- sowie Röntgenabsorptionsspektroskopie kombiniert zur Strukturaufklärung der Entmischungsfrühstadien in Aluminiumlegierungen eingesetzt. Wesentlich dafür ist die Sensitivität der beiden oben genannten Methoden für die atomare Umgebung jeweils eines essentiellen Bestandteils aller aushärtbaren Al-Legierungen, nämlich von Leerstellen bzw. von Fremdatomen. Am Beispiel von Al-Cu-Au wird dabei das Zusammenspiel beider experimenteller Methoden verdeutlicht. Die negativen Auswirkungen einer Au-Mikrolegierung auf das aushärtbare System Al-Cu können in diesem Zuge mikroskopisch durch eine Leerstellenbindung an homogen verteilte Goldatome erklärt werden. Für die technologisch hochrelevanten Systeme Al-Cu-Mg sowie Al-Mg-Si ergeben sich hinsichtlich ihrer jeweiligen Frühstadien ferner die folgenden wesentlichen Ergebnisse: Die Kaltaushärtung von Al-Cu-Mg verläuft aus Leerstellenperspektive in zwei klar trennbaren Stufen. Während die erste Stufe hauptsächlich durch Clusterwachstum gekennzeichnet ist, kommt es anschließend zur Einbettung von Leerstellen und evtl. zur Bildung von Guinier-Preston-Bagaryatski-Zonen. Aus Kupferperspektive agglomerieren Legierungsatome bereits vor Eintritt einer makroskopisch beobachtbaren Aushärtung. Die beobachtete Koordinationszahl von Cu legt es dabei nahe, dass eine flächen- bzw. zonenhafte Agglomeration ausgeschlossen werden kann. Für Al-Mg-Si Legierungen zeigt die Temperaturabhängigkeit der mittleren Positronenlebensdauer die Existenz von Positronenfallen mit relativ geringer Bindungsenergie, sogenannten flachen Fallen, an. Der Einfluss einer Kaltauslagerung auf das Warmauslagerungsverhalten dieses Systems wird deshalb auf das unterschiedliche Koordinationsverhalten von Clustern und Leerstellen in Abhängigkeit von der konkreten Legierungszusammensetzung zurückgeführt.