Forschung
Das Christian Doppler Labor für Verformungs-Ausscheidungs-Wechselwirkungen in Aluminiumlegierungen (CDL-DEPICT-Al) widmet sich der Entwicklung nachhaltiger, hochleistungsfähiger Aluminiumlegierungen mit erhöhtem Recyclinganteil. In Kooperation mit der AMAG rolling GmbH und gefördert von der Christian Doppler Forschungsgesellschaft wird Aluminium als Schlüsselwerkstoff für den Leichtbau zur Reduktion von Emissionen und Energieverbrauch erforscht. Der Einsatz von Sekundäraluminium spart bis zu 95 % Energie, stellt aber aufgrund unvermeidbarer Verunreinigungen eine Herausforderung dar.
CDL-DEPICT-Al untersucht systematisch den Einfluss von Fremdelementen und die Wechselwirkungen zwischen Mikrostruktur und Verformung, um die Umformbarkeit und Korrosionsbeständigkeit innovativer Legierungen zu optimieren. Modernste Charakterisierungsmethoden werden eingesetzt und weiterentwickelt, um das Verständnis dieser Wechselwirkungen zu vertiefen. Das untersuchte Werkstoffspektrum umfasst Bleche und Plattenwerkstoffe aus naturharten und aushärtbaren Legierungen, aber auch neuartige Crossover-Legierungen sowie Anodenwerkstoffe für Al-Batterien.
Nationale und internationale Kooperationen mit Universitäten erweitern das Forschungsspektrum und unterstützen die Entwicklung von Lösungen für die Herausforderungen der Aluminiumindustrie.
Dieser Forschungsbereich zielt darauf ab, die Umformbarkeit neuartiger Aluminiumlegierungen mit hohem Sekundäraluminiumanteil zu verbessern. Durch ein tiefgreifendes Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Mikrostrukturelementen wie Ausscheidungen und Verformung sollen die Duktilität und Verarbeitbarkeit systematisch optimiert werden.
Im Fokus stehen innovative Legierungen außerhalb standardisierter Zusammensetzungen, die durch einen erhöhten Einsatz von Schritt entstehen oder auch in das Feld der sogenannten Crossover Legierungen, also bewusste Kombination der Legierungselemente aus unterschiedlichen Legierungsklassen, liegen. Dabei werden Mikrostrukturelemente gezielt und systematisch untersucht, um ihre Rolle für die Formbarkeit und Festigkeit zu verstehen und zu steuern.
Der Schwerpunkt liegt auf der Weiterentwicklung moderner Charakterisierungstechniken wie der Scanning Precession Electron Diffraction (SPED) und der hochauflösenden Elektronenmikroskopie. Diese Methoden ermöglichen eine präzise Analyse der Mikrostruktur und der Ausscheidungsvorgänge in Aluminiumlegierungen auf der Nanometerskala. Durch die Analyse von Phasen- und Spannungsfeldern auf Mikrostrukturebene werden die komplexen Zusammenhänge zwischen Verformung, Ausscheidung und deren Auswirkungen auf das Werkstoffverhalten untersucht.
In diesem Forschungsbereich stehen innovative Anpassungen thermomechanischer Prozesse im Mittelpunkt. Neuartige Mikrostrukturen sollen durch ein synergetisches Zusammenspiel von Verformung, Ausscheidung und Rekristallisation zu erzeugt werden. Diese Mikrostrukturen könntensowohl die mechanische Festigkeit als auch die Korrosionsbeständigkeit von aushärtbaren Aluminiumlegierungen, insbesondere für die Luftfahrtindustrie, verbessern.
Ein Schwerpunkt liegt auf der Untersuchung von Korrosionsmechanismen in feinkörnigen Strukturen, in denen die Korrosionsmechanismen bisher nicht vollständig geklärt sind. Faktoren wie Korngrenzen, Segregationen und Ausscheidungen werden systematisch analysiert, um ihre kollektive Wirkung zu verstehen und gezielt zu steuern.
Zusätzlich soll eine neuartige Testinfrastruktur eine zeitaufgelöste Überwachung von Korrosionsmechanismen, wie interkristalliner Korrosion oder Spannungsrisskorrosion ermöglichen. Diese Erkenntnisse können direkt mit Prozessanpassungen korreliert und für die Optimierung der Mikrostrukturen genutzt werden.
Aluminiumbatterien gelten aufgrund ihrer hohen Kapazität, Umweltverträglichkeit und der guten Verfügbarkeit von Aluminium als vielversprechende Alternative zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien.
Trotz der Fortschritte bei Aluminium-Batterien bestehen weiterhin Herausforderungen, insbesondere auf der Seite der Aluminiumanode. Probleme wie isolierende Oxidschichten, Dendritenbildung, Volumenausdehnung und Selbstkorrosion sind ungelöst. Dennoch wurde der Aluminiumanode bislang nur wenig Aufmerksamkeit gewidmet, obwohl deren Erforschung entscheidend für die Weiterentwicklung dieser Technologie ist.
Wir wollen nun untersuchen, wie die Zugabe von Legierungselementen oder Veränderungen in der Mikrostruktur die Leistung und Lebensdauer von Aluminiumanoden beeinflussen. Ein tiefergehendes Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Legierungszusammensetzung und mikrostrukturellen Eigenschaften wird nicht nur die Batterieleistung verbessern, sondern auch zur Entwicklung nachhaltigerer Energiespeichersysteme beitragen, da die Abhängigkeit von hochreinen Anodenmaterialien verringert werden soll.
In diesem Forschungsbereich werden wir hochenergetische Röntgenbeugung (HE-XRD) an Synchrotronstrahlungsquellen wie PETRA III nutzen, um die Reaktion von Aluminiumlegierungen auf mechanische Belastung aber auch deren Phasentransformationen zu untersuchen. In-situ Zug- und Drucktests ermöglichen detaillierte Einblicke in die Verteilung von Spannungen sowie die Interaktion zwischen der Aluminium-Matrix und intermetallischen Phasen. Erste Experimente zeigen, wie sich Verformung auf die Mikrostruktur und Eigenschaften recycelter Aluminiumlegierungen auswirken. Ergänzende Tests wie in-situ Heiz- und Deformationsprozesse bieten zusätzlich Erkenntnisse zur Ausscheidungsevolution unter Temperatureinfluss, die Forschung in anderen Bereichen unterstützen.