Metalltechnik

Die Wärmebehandlung von Metallen ist ein Standardverfahren, um kontrollierte Änderungen in der Mikrostruktur herbeizuführen und dadurch die  gewünschten mechanischen Eigenschaften im Material einzustellen.
Derzeit gängige Verfahren zur Mikrostrukturanalyse (Schliffbilder, Dilatometrie, Zugversuche…) haben jedoch den Nachteil, dass sie entweder nicht direkt im Prozess eingesetzt werden können oder spezielle Probengeometrien erfordern. Durch die Messung von Plattenresonanzen an Blechproben mittels Laser-Ultraschall können die Poisson-Zahl und, bei bekannter Dicke, auch die longitudinale und transversale Schallgeschwindigkeit berührungslos und mit hoher Zeitauflösung während der Wärmebehandlung (z.B. im thermischen Simulator) bestimmt werden. Der Temperaturverlauf dieser Parameter korreliert mit Änderungen in der Mikrostruktur, wodurch Phasenübergänge mit dieser Methode überwacht werden können.

Weitere Informationen finden Sie in unserer Publikation: https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.118097

Viele Metalle werden im Rahmen des Fertigungsprozesses mittels Lösungsglühen homogenisiert.
Nach dem Abschrecken ist der Werkstoff aber in einem übersättigten Zustand und gelöste Legierungsbestandteile lagern sich mit der Zeit in Ausscheidungspartikeln, z. B. Guinier-Preston (GP)-Zonen, aus. Diese haben einen starken Einfluss auf die Festigkeit und Formbarkeit des Materials. Mittels Laser-Ultraschall können die Änderungen des Elastizitäts- und Schermoduls von Platten über viele Stunden mit einer Präzision <1% gemessen werden, womit das Fortschreiten der Ausscheidungshärtung mit hoher Zeitauflösung überwacht werden kann.
Ein möglicher Anwendungsfall ist das Einstellen der Rückfederungskompensation in Abhängigkeit vom Stadium der Ausscheidungshärtung, in dem sich das gebogene Werkstück befindet.
Weitere Informationen finden sie in unserer Publikation: https://doi.org/10.1016/j.mtla.2022.101600

Die longitudinale und transversale Schallgeschwindigkeit lassen Rückschlüsse auf die Mikrostruktur zu, beispielsweise auf den Grad der Rekristallisation von Metallen während thermischer Behandlungen.
Oft wird auch die Dicke einer Platte bzw. eines Bleches benötigt. Bisherige akustische Verfahren zur Messung der Schallgeschwindigkeit und der Dicke einer Platte erfordern die Kenntnis der jeweils anderen Größe oder eine räumliche Abtastung. Die von uns entwickelte Methode kann diese Eigenschaften in einer einzigen Messung bestimmen.
Dabei werden in der Plattenprobe durch einen Laserpuls mit periodischem Linienmuster gleichzeitig eine spezifische Oberflächenwelle und mehrere Plattenresonanzen angeregt und anschließend analysiert. Dies ermöglicht (bei bekannter Dichte) die vollständige elastische Charakterisierung und gleichzeitige Dickenbestimmung von isotropen Platten. Ein diesbezügliches Patent wurde angemeldet.
Weitere Informationen finden sie in unserer Publikation: https://pub.dega-akustik.de/DAGA_2023/data/articles/000177.pdf

Es kann beim Gießen von Metallen interessant sein, einerseits die Schmelztiefe zu überwachen, aber auch Heißrisse (aka Warmrisse, Erstarrungsrisse) im frisch gegossenen und noch heißen Gussbaren zu finden. Beides ist mit Laser-Ultraschall möglich und wurde von uns schon untersucht. In der Abbildung ist eine Rekonstruktion und das entsprechende Foto des Schnittes durch einen Rundbarren aus Aluminium zu sehen, der einen ausgeprägten Kernriss hat.  

Die zerstörungsfreie Prüfung von Schweißnähten ist mit Laser-Ultraschall möglich. Dank der Automatisierbarkeit können auch inline bereits Messungen mit hoher Geschwindigkeit durchgeführt werden. Mit Wiederholraten, abhängig von der geforderten Auflösung, von 10Hz, 100Hz oder sogar höher können Fehlstellen, Einschlüsse, Heißrisse und hohe Porenkonzentrationen gefunden werden. 

Wie hier am Beispiel einer Münze gezeigt, kann die Topographie oder Rauheit (Parameter vgl. ISO 25178) einer Probe sehr einfach mittels Optischer Kohärenztomographie (OCT) bestimmt werden. Der große Vorteil von OCT gegenüber anderen Methoden ist dabei die Möglichkeit auch steile Flanken zu vermessen. Die Genauigkeit bei der Vermessung von Höhenprofilen liegt dabei unter 1 Mikrometer.

Mittels Laser-Ultraschall können auch Schweißpunkte in kurzer Zeit gescannt und Zonen mit tatsächlicher Materialverbindung (Schweißlinse) bildlich dargestellt und beurteilt werden.

Laser-Ultraschall-Technologie kann auch für die Prüfung von Haft- und Verbindungsschichten, z.B. für Lötverbindungen bestens eingesetzt werden.
Durch die Beeinflussung der hochfrequenten Ultraschallwellen an den Grenzflächen kann ein exaktes Abbild dieser kritischen Zone aus dem Inneren der Bauteile generiert werden.

Oft werden metallische Teile mit dielektrischen Beschichtungen versehen um deren Betriebseigenschaften (z.B. bzgl. Tribologie) zu optimieren.
Mittels Terahertz-Technologie (THz) ist eine inline-fähige Vermessung derartiger Beschichtungen sehr effizient möglich.

Die rasanten Entwicklungen der letzten Jahre auf dem Gebiet des 3D-Drucks von Kunststoffen und Metallen und die damit verbundene Qualitätsverbesserung erlauben immer mehr Anwendungen, auch in der Serienproduktion von kritischen Komponenten. Die OCT-Messtechnik (für Kunststoffe, Keramik) und die Laser-Ultraschall-Technologie (für Metalle, harte Polymere) bieten dabei die Möglichkeit, bestimmte Fehlstellen des Drucks offline oder sogar inline zu detektieren und somit den Prozess zu überwachen, damit gegebenenfalls sofort korrigierend eingegriffen werden kann.

Durch die Möglichkeit glühende Proben zu untersuchen, können mit Laser-Ultraschall auch metallurgisch Interessante Informationen während thermomechanischer Zyklen von neuen Stählen gewonnen werden. Dazu werden die Proben in unserem modifizierten Abschreck- und Umformdilatometer der Firma Linseis Messgeräte induktiv erhitzt und bei Bedarf umgeformt, wobei mittels LUS in-situ die Schallgeschwindigkeit und akustische Dämpfung gemessen werden. Aus diesen Parametern ist es bei entsprechender Kalibrierung möglich, auf das Kornwachstum, Phasenumwandlungen und Texturänderungen zu schließen.

Die Bestimmung der Einhärtetiefe in Stahl von thermisch (z.B. induktiv) behandelten Bauteilen ist für die Qualitätskontrolle wesentlich. State-of-the-Art ist es, an den aufgeschnittenen Proben Ätzungen bzw. Härtemessungen durchzuführen. Laser-Ultraschall bietet hier eine zerstörungsfreie Alternative. Damit können Zonen verschiedener Mikrostrukturen an beliebigen Positionen dargestellt werden bis hin zur Tomographie der Einhärtetiefe.