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Mg-Legierungen sind für gewichtskritische Anwendungen ideal, wo die Gewichtsverringerung mit einer Verringerung des Energieverbrauchs korreliert. Die Eigenschaftsprofile der kommerziellen Magnesiumlegierungen sind jedoch für viele Anwendungen nicht verwendbar. Das Design von Mg-Legierungen durch die Kontrolle sowohl der Legierungszusammensetzung als auch der Verteilung von Sekundärphasen in der Mikrostruktur ist jedoch wichtig, um das volle Potenzial dieser Legierungen ausschöpfen zu können. Es wurde bereits berichtet, dass die Zugabe von Zn zu Mg-RE Legierungen (RE = Seltenerdmetall) zur Veränderung der Mikrostruktur und der daraus resultierenden mechanischen Eigenschaften schon bei relativ geringen RE-Gehalten führt. Bislang wurden jedoch nur RE-Elemente mit hoher Löslichkeit in Mg (wie Gd und Y) systematisch untersucht. Ein Schwerpunkt lag dabei vor allem darauf, den Einfluss des RE-Zn Verhältnisses auf die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften in einem großen Bereich von Verarbeitungsbedingungen zu verstehen. Nd ist ein kostengünstiges RE mit geringer Löslichkeit. Es kann dazu eingesetzt werden, die Festigkeit von Mg-Legierungen durch die Bildung von feinen Partikeln zu verbessern, welche die plastische Verformung in Mg-Nd- und Mg-Nd-RE -Legierungen effektiv behindern. Es ist daher zu erwarten, dass die Zugabe von Zn die mechanischen Eigenschaften durch die Veränderung der Mikrostruktur bei einem relativ niedrigen Nd-Gehalt verbessern wird.
Das Ziel dieser Untersuchung ist es, ein kostengünstiges Mg-Legierungssystem für strukturelle Anwendungen mit einstellbaren mechanischen Eigenschaften durch Modifikation der Legierungszusammensetzung und kontrollierte Wärmebehandlungen zu entwickeln. Die Fähigkeit, die Mikrostruktur und die resultierenden mechanischen Eigenschaften durch die Bildung von Ausschneidungen mit intermetallischen Teilchen an den Korngrenzen zu beeinflussen, würde die Entwicklung von Legierungen mit einer synergistischen Kombination von verbesserter Festigkeit und Duktilität; die jedoch bei geringeren Kosten für den vermehrten Einsatz von Magnesium-Legierungen in kommerziellen Anwendungen ermöglichen.
Im Rahmen des beantragten Projekts wird eine Reihe von Legierungen mit unterschiedlichen Nd-Zn Verhältnissen mittels in situ Synchrotronbeugungsexperimenten und ex situ über Elektronenmikroskopie untersucht, um die mikrostrukturellen Entwicklung während der Erstarrung zu verstehen. Die Informationen über die Art der vorhandenen intermetallischen Phasen, deren Bildungstemperatur und den Volumenanteil dieser Phasen werden zur Überprüfung und Verbesserung der Mg-reichen Seite des zurzeit verfügbaren Mg-Nd-Zn Phasendiagramms benutzt. Die Rolle der Wärmebehandlungen auf die Änderung der intermetallischen Phasen während der Erstarrung und die Bildung neuer Ausscheidungen wird mit Hilfe der Elektronenmikroskopie untersucht. Dies führt zu einem weiteren Schritt, in dem die Mikrostruktur und die sich ergebenden mechanischen Eigenschaften modifiziert werden könnten. Die mechanischen Eigenschaften der Legierungen im Guss- und wärmebehandelten Zustände werden bei Raum- und erhöhter Temperatur untersucht, um die Rolle der Legierungszusammensetzung auf intermetallische Phasen und die thermische Verarbeitungsgeschichte solcher Eigenschaften zu verstehen.

Magnesiumlegierungen haben großes Potential in der Anwendung als Strukturwerkstoffe. Es sind bereits viele Gussteile in der Produktion, aber nur wenige Bauteile aus Knetwerkstoffen, da die Umformbarkeit von Magnesiumlegierungen limitiert ist. Dies liegt an der beschränkten Anzahl von Gleitsystemen im hexagonalen Gitter von Magnesiumlegierungen. Kürzlich wurde berichtet, dass die Zugabe von Calcium und Yttrium die Textur aufweichen kann, was auch zu einer Verbesserung der Duktilität führt. Die Hintergründe der Eigenschaftsänderungen durch Zugabe von Calcium und Yttrium jedoch sind noch nicht systematisch erforscht. In dieser Studie soll die Gefüge-Eigenschaftsbeziehung im System Mg-Ca-Y im Detail untersucht werden.
Der Effekt von Calcium und Yttrium auf die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften sowohl bei Raumtemperatur als auch bei erhöhten Temperaturen im neu entwickelten System Mg-Ca-Y soll untersucht werden und die Verformungsmechanismen sollen aufgeklärt werden. Die zu erwartenden Ergebnisse sollen der Optimierung der Legierungssystems dienen, welches Potential in der Anwendung bei hohen Temperaturen aber auch als degradables Implantatmaterial hat.
Verschiede Legierungen mit unterschiedlichen Ca:Y Verhältnissen werden untersucht, um das magnesiumreiche Ende des Phasendiagramms näher zu beschreiben. Mechanische Eigenschaften der gegossenen und stranggepressten Legierungen werden ermittelt, um den Einfluss der Mikrostruktur und der Textur auf die Eigenschaften zu untersuchen. In-situ Zugversuche an den stranggepressten Legierungen in Kombination mit ex-situ Texturanalysen sollen Aufschluss über den Zusammenhang von Eigenschaften und Ca:Y Verhältnis geben.

Mg-Legierungen sind ein vielversprechender Kandidat für biologisch abbaubare Implantatanwendungen. Diese Studie zielt auf die systematische Entwicklung von Mg-Gd-Basis-Legierungen (Gesamtlegierungselement weniger als 5 Gew.%), die eine gute Kombination von mechanischen und Abbaueigenschaften zeigen. Alle Legierungen wurden durch Kokillenguss hergestellt. Die mechanischen Eigenschaften, Korrosionsbeständigkeit, Cytocompatibilität und antibakteriellen Eigenschaften werden durch unterschiedliche Zugabe von Legierungselementen (Ag, Ca) und Lösungswärmebehandlung (T4) optimiert.

Mit den steigenden Anforderungen an leichte Magnesium-Legierung in den Industriebereichen Automobil, Luftfahrt, Medizintechnik usw. hat sich die Forschung auf die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Magnesiumlegierungen konzentriert, indem sie geeignete Legierungselemente hinzugefügt und die Verarbeitungstechniken optimiert. Allerdings sind die derzeitigen Anwendungen von Magnesiumlegierungen noch begrenzt. Die Haupthindernisse sind ihre geringe Festigkeit und Formbarkeit bei Raumtemperatur sowie schlechte Kriechfestigkeit bei hohen Temperaturen. Um die Anwendung von Magnesiumlegierungen zu erweitern, wurde eine Anzahl von Seltene-Erden-haltige Legierungen entwickelt. Deutliche Verbesserungen der mechanischen Eigenschaften und der Kriechfestigkeit wurden dadurch in den letzten Jahrzehnten erreicht.
Um die durch Seltene Erden verursachten Verstärkungsmechanismen zu untersuchen, wurden die Legierungselemente Gd und Nd ausgewählt. Die Legierungen mit unterschiedlicher fester Löslichkeit wurden durch Zugabe von verschiedenen Gd-Gehalten hergestellt. An allen Mg-Gd-Proben wurden Homogenisierungsbehandlungen durchgeführt, um die Segregation von Gd zu vermindern, bevor die Wirkung des Gd-Gehalts auf die Mischkristallverfestigung untersucht wurde. Mg-Gd T4-Legierungen und Guss-Mg-Nd-Legierungen wurden durch Extrusion bei 450 °C mit einem Strangpressverhältnis von 62,7: 1 hergestellt. Die mechanischen Eigenschaften wie Härte-, Zug- oder Druckfließspannung wurden gemessen.
Die Effekte von Gd- und Nd-Gehalten auf den Elastizitätsmodul von binären Mg-Gd- und Mg-Nd-Legierungen und die Assoziation zwischen der Mikrostruktur und dem Elastizitätsmodul dieser Mg-Legierungen wurden untersucht. Der Einfluss der Mischkristallverfestigung auf die Härte und die Streckgrenze für polykristalline Mg-Gd-Legierungen mit Gd-Gehalten zwischen 2 und 15 Gew .-% wurden untersucht. Zusätzlich wurde auch die Wirkung vom Nd-Gehalt auf die Zug-Druck-Asymmetrie und die intermetallische Phase auf das mechanische Verhalten von Mg-Nd-Legierungen untersucht.

Ziel des Vorhabens ist es, homogen dispergierte nanopartikelverstärkte Magnesiumlegierungen mit Schmelzscherverfahren herzustellen und die Menge und Größe der zugesetzten Nanopartikel hinsichtlich Mikrostruktur, mechanischer Eigenschaften und der Hochtemperatureigenschaften zu optimieren. Die Größe, Benetzbarkeit und thermische Ausdehnung der nanoskaligen Partikel werden so gewählt, dass die optimalen mechanischen Eigenschaften erreicht werden. Für eine optimale Kombination von Eigenschaften müssen Verarbeitungsparameter gefunden werden. Um den Einfluss der Verarbeitung auf die Erstarrung und Eigenschaften von Metallmatrix-Nanokompositen (MMNCs) zu untersuchen, müssen Mikrostruktur und Zusammensetzung analysiert werden. Es werden Eigenschaften wie Dichte, Wärmeausdehnungskoeffizient, Mikrohärte, Zug- und Druckfestigkeit und Kriechverhalten der Verbundwerkstoffe bei hohen Temperaturen bestimmt. Die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der nanopartikelverstärkten Magnesiumlegierung wird anhand des Orowan-Festigkeits- und Hall-Petch-Effekts diskutiert.

Ein großes Hindernis für die Implementierung klinischer Anwendungen biodegradabler Magnesiumlegierungen ist die Einstellung akzeptabler Degradationsraten in physiologischer Umgebung. Die hier vorgestellten Untersuchungen zielen auf den Einfluss von intermetallischen Phasen auf die Abbaubarkeit von Magnesiumlegierungen ab. Mg-Gd- und Mg-Nd-Legierungen wurden dazu hergestellt. Da die Löslichkeit von Nd in Mg sehr gering ist, lassen sich durch unterschiedliche Nd-Konzentrationen leicht unterschiedliche Gehalte an intermetallischen Phasen in einer Legierung herstellen. Deren Einfluss auf die Degradationsrate kann dann bestimmt werden. Bei Mg-Gd-Legierungen wird hingegen wegen der großen Löslichkeit der Einfluss der intermetallischen Phasen und der gelösten Gd-Atome im Mischkristall untersucht. Um die Konzentration der intermetallischen Phasen exakt zu kontrollieren, wird die Ausscheidungskinetik der Mg-Gd-Legierungen quantitativ untersucht. Thermodynamische Berechnungen, sowie XRD und 3D Röntgen-Nanotomographie werden zur Bestimmung des Ausscheidungsverhaltens herangezogen. Die Morphologie, Größe, Menge und Verteilung der intermetallischen Phasen sollen mit dem Degradationsverhalten unter Verwendung von Korrosionstests korreliert werden. Auch wird die Zelladhäsion und ein Zell-Überlebenstest durchgeführt. Eine qualitative oder gar quantitative Abhängigkeit zwischen der Menge an intermetallischen Phasen und den Degradationsraten soll letztlich ermittelt werden.

Um den zukünftigen Anforderungen der EU-Legislative gerecht werden zu können, ist es notwendig, leichte Werkstoffe zu entwickeln, um die Verschmutzung der Atmosphäre zu reduzieren. Dies erreicht man durch Verbesserung der Verarbeitbarkeit von Leichtmetallen, um ihr Einsatzspektrum zu erweitern. Kornfeinung und die Entwicklung von nanopartikelverstärkten Leichtmetall-Verbundwerkstoffen sind weitere wichtige Schwerpunkte in ExoMet. Deutliche Verbeserung der mechanischen Eigenschaften sind angestrebt, dazu gehören eine Verbesserung der Zugfestigkeit und der Duktilität, sowie der Kriechfestigkeit bei Temperaturen von 300-350°C. Das gilt sowohl für Gussbauteile, wie auch für Knetwerkstoffe, die zu Profilen, Bändern oder Drähten verarbeitet werden.

Darüber hinaus werden systematisch neue experimentelle Daten für die Viskosität aber auch die Dichte von Magnesium- Legierungsschmelzen erarbeitet und mit dem validierten analytischen Modellen unter Einbeziehung der Legierungsthermodynamik kombiniert. Dadurch wird eine zuverlässige Berechnung der Schmelzviskosität ermöglicht, auch für sich rasch ändernde Werte der Zusammensetzung und Temperatur einer (Rest)-Schmelze. Dies ist für Erstarrungsprozesse und deren Modellierung für Magnesiumlegierungen bedeutsam.

Im Rahmen des Projekts arbeitet die Hereon-Abteilung Prozesstechnik eng mit dem Institut für Metallurgie der Technischen Universität Claustal zusammen.

Die Abteilung Prozesstechnik realisiert MagHyM gemeinsam mit der LMpv Leichtmetall Produktion & Verarbeitung GmbH, einer Produktionsstätte für neue, ultraleichte metallische Werkstoffe mit Sitz in Rheinland-Pfalz. Das BMWi-Projekt ist zeitlich begrenzt und läuft bis zum 31. Dezember 2014.

Eine feinkörnige Mikrostruktur ist für die Verbesserung der Eigenschaften von Magnesium-Guss- und -Knetlegierung von großer Bedeutung. Für Al-freie Magnesiumlegierungen ist die Zirkonzugabe sehr effektiv zur Kornfeinung, aber auch sehr teuer. Die Reduzierung der Zr-Menge und damit der Kosten ist daher ein wichtiges Forschungsziel. Unsere Untersuchungen zeigen, dass die Impfung der Magnesiumschmelze mit SiC eine machbare und kostengünstige Alternative zur Kornfeinung von Mg-Zn und Mg-Mn Legierungen ist. Ziel der Arbeiten ist es daher, den kornfeinenden Einfluss von unterschiedlichen SiC Mengen auf Mg-xZn und Mg-xMn Legierungen zu untersuchen. Erste Ergebnisse zeigen, dass die Korngröße von Mg-3Zn Legierungen durch die Zugabe von 0,3% SiC um 45% reduziert werden konnte. Die Korngröße bleibt konstant bei weiterer Zugabe von SiC, was auf die Menge der aktivierten Partikel zurückzuführen ist, wenn eine Sättigung des Substrates eintritt. Mikrostrukturuntersuchungen zeigen, dass Mn-(Fe)-Si-(C)-Intermetallics in den Mg-Zn oder Mg-Mn Kristalliten zu finden sind [1]. Diese könnten als Kristallisationskeim wirken, was der Kornfeinung dienen kann. Eine Wechselwirkung zwischen dem SiC und Mangan oder Eisen wird als Ansatz zur Erklärung des kornfeinenden Effektes angenommen.

[1] Jian Gu, Yuanding Huang, Karl Ulrich Kainer, Norbert Hort: Role of SiC in grain refinement of aluminum -free Mg-Zn alloys; Magnesium Technology 2016, TMS (The Minerals, Metals & Materials Society), Edited by: Alok Singh, Kiran Solanki, Michele V. Manuel, and Neale R. Neelameggham (2016) 177-181.