Foaming of aluminium alloys: tomoscopic study of gas nucleation

Die Verbesserung der Struktur metallischer Schäume und damit ihrer Eigenschaften bedarf eines tieferen Verständnisses der während des Schäumens und der späteren Degradation ablaufenden Mechanismen. Um diesen dynamischen Prozess in seiner dreidimensionalen Komplexität und zeitlichen Veränderung zu erfassen wurde in dieser Arbeit das Verfahren der zeitaufgelösten Tomographie (Tomoskopie: Ein Kunstwort, das sich aus den bildgebenden Verfahren der Tomographie, also der räumlichen Struktur des Inneren eines Objekts, und der zeitaufgelösten Radiographie, auch Radioskopie, zusammensetzt.) genutzt, erweitert und für Untersuchungen an diesem Materialsystem angepasst. Hierbei wurden Tomogramme in einer zeitlichen Abfolge von bis zu 20 tps (Tomographien pro Sekunde) über mehrere Minuten mit einer örtlichen Auflösung von 3 µm aufgenommen und Auswertungsmethoden für die enorme Menge an gewonnenen Daten weiterentwickelt. Es konnte somit der gesamte Schäumprozess in-situ untersucht und quantifiziert werden. Hierfür wurden die Legierungszusammensetzung, der Treibmittelgehalt sowie die Aufheizrate variiert. Es wurden verschiedene Schäumstadien, wie die Gasnukleation, das Blasenwachstum, die Blasenkoaleszenz, die Vergröberung und die Erstarrung identifiziert und analysiert, wobei besonderes Augenmerk auf das bisher schwer zu untersuchende Anfangsstadium der Gasnukleation gelegt wurde. Dabei wurden verschiedene Mechanismen der Blasenentstehung gefunden und ihre bevorzugten Orte lokalisiert. Beispielsweise konnte für die derzeit gebräuchlichste, kommerzielle Aluminiumschaumlegierung AlSi8Mg4 eine zweistufige Blasenentstehung zum ersten Mal beobachtet werden, was auf die Mikrosktruktur der Halbzeuge und die unterschiedlichen Gasquellen zurückgeführt wurde. Die Kombination dieser Technik mit der energiedispersiven Diffraktion erlaubte es Phasenanteile während des Schäumens, bei gleichzeitiger Beobachtung der Makrostruktur, zu verfolgen und die getätigten Annahmen zu untermauern. Die in der vorliegenden Arbeit entwickelte Methodik legt den Grundstein für eine systematischere Optimierung der Metallschäume als es die bisher eingesetzten ex-situ- oder 2D-Verfahren erlaubten.The improvement of the structure of metallic foams and thus of their properties requires a deeper understanding of the mechanisms that act during foaming and subsequent degradation. In order to capture this dynamic process in its three-dimensional complexity over time, the method of time-resolved tomography (Tomoscopy: An artificial word resulting from the imaging techniques of tomography, i.e., the spatial structure of the interior of an object, and the time-resolved radiography, radioscopy.) was used, extended and adapted to this material system. Tomograms were recorded at a temporal resolution of up to 20 tps (tomographies per second) for several minutes at a spatial resolution of 3 µm and evaluation methods for the enormous amount of data obtained were further developed. Thus, the entire foaming process could be investigated in-situ and quantified. For this purpose, the alloy composition, the blowing agent content and the heating rate were varied. Various stages of foaming, such as gas nucleation, bubble growth, bubble coalescence, coarsening, and solidification, have been identified and analysed, with special attention given to the hitherto elusive initial stage of gas nucleation. Various mechanisms of bubble formation were found and their preferred positions localized. For example, for the common commercial aluminium foam alloy AlSi8Mg4, a two-stage bubble formation could be observed for the first time, which was attributed to the microstructure of the precursor and the different gas sources. The combination of this technique with energy dispersive diffraction allowed to follow the phase composition during foaming with simultaneous observation of the macrostructure, which corroborated the assumptions made. The methodology developed in this work lays the foundation for a more systematic optimization of metal foams than the previously used ex-situ or 2D methods allowed