Detektierbarkeit von Heterogenitäten in Fe - Basis - und Aluminiumlegierungen mittels Röntgen - Computertomographie

Abstract

Die dreidimensionale (3D) Beschreibung von inneren Strukturen und Einlagerungen in Werkstoffen liefert verbesserte Möglichkeiten zur Qualitätsbeurteilung von Werkstoffen und Bauteilen. Dafür eingesetzten Methoden sind Mikrofokus-Röntgen-CT mit Direktstrahl- und Transmissionsstrahl- Röhrentechnik (µXCT), sowie Synchrotron-XCT mit hoher Brillanz und Ortsauflösungen (Voxelgrößen im Volumendatensatz) >40 nm. Mittels Absorptions- bzw. Phasenkontrast dargestellte Heterogenitäten bedürfen der Identifizierung mittels zerstörender Charakterisierungsmethoden.<br />Mit Hilfe von µXCT kann bei Aluminiumlegierungen durch die räumliche Anordnung von Lunkern, Mikroporen und interdendritischen Phasen, Dendritenabmessungen bzw. Dendritenarmabstände, sowie die 3D Erstarrungsrichtung der Dendriten beschrieben werden. Aufgrund der morphologischen Form kann zwischen interdendritischen Phasen und den globularen, primären Al3(Sc,Zr)- Ausscheidungen in einer AlZnMgCu- Legierung mittels der Sphärizität diskriminiert werden. Graphitausscheidungen > 30µm in Sphäroguss werden mit µXCT in Proben von 4 mm Durchmesser bestimmbar. Durch eine quantitative 3D Analyse kann die Verteilung dieser Teilchen bestimmt werden. Es wurden Anhäufungen identifiziert, die in diesen Proben flächig verlaufen, was in Metallographien als Graphitzeilen erkannt wird. Oberflächen- bzw.<br />oberflächennahe Materialtrennungen (Risse) mit einer Breite von 1/3-1/2 einer Voxelgröße sind eindeutig identifizierbar. Zur exakten Vermessung müsste jedoch die Voxelgröße kleiner als die Rissbreite sein.<br />Tomographische Methoden sind gut geeignet, um nichtmetallische Einschlüsse sicher zu detektieren. Mikroeinschlüsse < 10µm sind mit hochauflösender µXCT oder Synchrotron-XCT detektierbar. Globulare Ca-Aluminate sind mit Ultraschallprüfung schwer zu detektieren: Mittels µXCT kann zwischen Mikrolunkern und Ca-Aluminate diskriminiert werden, und so Größenverteilungen und Einschlussgehalte über Auswertevolumina von mehreren 100 mm 3 bestimmt werden. Gerade das hohe Analysevolumen zeichnet µXCT gegenüber metallographischen Methoden aus: In einem Volumen von über 80 mm 3 können Einschlüsse mit > 30µm in nur einer Messung nachgewiesen werden. Die Messzeit dafür beträgt 1-1,5 Stunden.<br />Für eine metallographische Auswertung würden das etwa 200 Schliffe mit einer entsprechenden lichtmikroskopischen Analyse bedeuten.<br />Durch die Unterscheidbarkeit von Poren und Mikrolunkern aufgrund eines Formfaktors kann mit µXCT die räumliche Lage von Porenanhäufungen im Brammenquerschnitt zuverlässig bestimmt werden. Es werden im Bereich von S =40 - 50 mm in Richtung der Schmalseite verstärkt Poren bis zu einer Größe von 300 µm detektiert. Ein weiterer Bereich knapp unterhalb der Brammenoberseite bis S ~ 13 mm zeigt Heterogenitäten < 100 µm. Eine Akkumulation von Einschlüssen mit Poren im oberen Bereich des Strangquerschnitts zufolge Strangkrümmung konnte mittels Synchrotron-XCT beobachtet werden. Durch die Kenntnis der Lage der Heterogenitäten im Brammenquerschnitt kann auf die Position in der Biegezone rückgerechnet werden, bei der der Mechanismus des Einfangens der Gasporen und Einschlüssen stattgefunden hat. Daraus kann man wiederum Rückschlüsse auf die Erstarrungskinetik ziehen.<br />Die Methode µXCT wird eingesetzt, um Gasporenverteilungen, deren Größe und Anzahl im Brammenquerschnitt für unterschiedliche Gießparameter bei der Spülung zu beurteilen. Diese Kenntnis ist wichtig, da Poren zu Oberflächenfehler im Endprodukt führen können. Durch Quantifizierung von Verformungsporen in Warmzugproben ist es möglich den Bereich des Duktilitätsminimums (740-770 °C ) aufgrund von verformungsinduzierten Ferrits zu bestimmen. Dieser Temperaturbereich ist für die Vorgänge bei der Oberflächenrissbildung beim Stranggießen besonders wichtig.<br />Für den gezielten Einsatz und eine Abgrenzung der tomographischen Methoden ist die Kenntnis der Erkennbarkeit von Heterogenitäten in Bezug auf das Verhältnis Auswertevolumen zur Größe einer Heterogenität und die geeignete Wahl der Röhrenparameter von entscheidender Bedeutung: Die Erkennbarkeiten werden unter Berücksichtigung der Probengeometrie, -anordnung und Aufnahmeparameter und dem Einsatz geeigneten Artefaktkorrekturen bestimmt. Es besteht sowohl für Aluminium- wie auch für Fe-Basis-Legierungen in der Erkennbarkeit für Grauwertkontraste > 5 % ein weitgehend linearer Zusammenhang zwischen Größe einer Heterogenitäten und Ortauflösung (Voxelgröße). Bei Aluminiumlegierungen müssen für eine robuste Detektion unabhängig von der applizierten Ortauflösung die Heterogenitäten auf eine Größe von mindestens 3-5 Voxeln abgebildet werden. Bei höherabsorbierenden Fe-Basis-Legierungen ist diese Detektierbarkeitsgrenze, aufgrund des verstärkten Auftretens von Artefakten, in hohem Maße von den maximalen Durchstrahlungslängen (DL) abhängig: Bei DL > 10-15 mm sind dafür mindestens 4-7 Voxeln erforderlich. Artefakte in der CT entstehen aus Nichtlinearitäten des Aufnahmesystems und polychromatische Röntgenquellen verursachen im rekonstruierten Volumen zusätzliche Strahlaufhärtungsartefakte. Mit der Linearisierungstechnik existiert eine bewährte Korrekturmethode, die angewandt wird. Zusätzlich wird eine Korrekturmethode verwendet, die die Lage der jeweiligen Heterogenität im Probenvolumen berücksichtigt.