Praktische Anwendung Neuer Analytischer Methoden für Aluminiumlegierungen

Ein Projekt der Industriellen Gemeinschaftsforschung: IGF 20712 N


Forschungseinrichtungen:

  • RWTH Aachen Lehrstuhl für das Gesamte Gießereiwesen und Gießerei-Institut

Laufzeit: 01.05.2019 - 30.04.2021

Stand der Technik

Die im Vorprojekt entwickelte Methodik zur Auswertung der Daten aus der Einzelfunkenspektrometrie musste bis zur Einführung noch einen erweiterten Bereich an Legierungen aus der industriellen Anwendung abdecken und die Berechnungszeit bis zur vollständigen Zuordnung aller Messungen zu den potenziell vorliegenden Phasen reduziert werden. Ein weiteres Themenfeld bestand darin, dass die Anforderungen an Proben 

für die Einzelfunkenspektrometrie andere sein können als für eine herkömmliche Spektrometermessung und daher ein Abgleich der potenziell auftretenden Gefüge notwendig war. Während beim Ziel der Bestimmung der mittleren chemischen Zusammensetzung ein möglichst homogenes Gefüge vorteilhaft ist, ist für die Bestimmung von Phasen und Einschlüssen das Vorliegen derselben möglichst in ähnlichen Konfigurationen wie im Realbauteil essenziell.

Die bisher verwendeten Algorithmen [1, 2, 3] nutzten spezifisch für die untersuchten Modellsysteme nur wenige passende Elementkanäle. Bei dem Versuch, Titandiboride in einer AlSi7Mg0,3-Legierung zu detektieren, wurden also beispielsweise nur ein Titan- und ein Borkanal verwendet. Dies hatte das Ziel, einerseits eine erhöhte Zuordnungsgenauigkeit für die einzelnen Funken zu erreichen und andererseits die Berechnungszeit durch Reduzierung der zu nutzenden Datenkomplexität zu verbessern. Der Nachteil bei dieser Vorgehensweise ist die geringe Übertragbarkeit der Ergebnisse auf andere Messbedingungen, wie zum Beispiel eine andere Verfügbarkeit von Elementkanälen im jeweiligen Spektrometer, die Verwendung einer anderen Basislegierung bei gleichem untersuchten Einschlusstyp oder die Suche nach einem weiteren Einschluss- oder Phasentyp in der gleichen Messung. Zusätzlich führt die Tatsache, dass der verwendete Clusteralgorithmus nur vollständige Spektrometermessungen auswerten kann, einerseits zu einer Einschränkung der Anwendbarkeit, da unvollständige Messungen nicht ausgewertet werden können, und andererseits zu langen Berechnungsdauern, da die optimale Clusterverteilung immer neu berechnet werden muss. Um die Anwendbarkeit der genutzten Methodik auf eine breite, auch in Zukunft noch erweiterbare Legierungsauswahl zu garantieren und verschiedene Einschluss- und Phasentypen in einer Datenbank abzubilden, war eine Standardisierung der genutzten Eingangsdaten notwendig.

Die erweiterte Informationsdichte, die durch die Einzelfunkenspektrometermessung erzeugt wird, kann genutzt werden, um Prozesseinflüsse zwischen Versuchen unter Laborbedingungen und im realen Prozess, sowie zwischen unterschiedlichen Industrieprozessen sichtbar zu machen. Zur Darstellung dieser Vergleiche ist eine Erweiterung der bisher betrachteten Ergebnisgrößen [4, 5] am Spektrometer um Parameter nötig, die über die mittlere Intensität oder Konzentration hinausgehen und Werte wie die Quantile, Extrema und Ausreißer der Elementverteilungen umfassen können. So können Aussagen über Seigerungen, prozessimmanente Verunreinigungen und, über mehrere Messungen hinweg, Prozessschwankungen getroffen werden.

 

Insgesamt zeigt sich, dass die Einzelfunkenspektrometrie schneller zu Ergebnissen kommt als andere Messmethoden (Bild 1), die vergleichbare Einschlussgrößen detektieren können.

 

Zusammenfassung

Im abgeschlossenen Projekt PANAMA konnten die Anwendungsgrenzen der in diesem und den Vorgängerprojekten entwickelten Methoden präziser definiert werden. Dies erlaubt einen zielgenauen und bedarfsgerechten Einsatz in Abgrenzung zu bereits im Einsatz befindlichen Methoden. Die Untersuchungen zur Bestimmung von Formparametern mittels Energievariation waren leider nicht erfolgreich, sodass zu diesem Zeitpunkt eine genauere Analyse der bestimmten Phasen nicht mittels Funkenspektrometrie möglich ist.

Die Weiterentwicklung der Datenbankstruktur und ihrer Erweiterung um übliche in den beteiligten Unternehmen eingesetzte Legierungen ermöglicht zum Abschluss des Projekts eine Anwendung in verschiedenen Bereichen der Gießerei-Industrie. Die vergleichbar einfache Erweiterbarkeit über den Einsatz individueller Modelle für jede Legierung stellt sicher, dass eine Weiterentwicklung auch in Zukunft ohne unnötigen Aufwand möglich bleibt. Die Nutzung der verwendeten Modelle aus dem Bereich des maschinellen Lernens stellt dabei neben der Erweiterbarkeit auch die Geschwindigkeit und adaptive Anwendung in der Praxis sicher. Der Vergleich von Elementprofilen wurde im Projektverlauf als einfach und aufwandarme Alternative genutzt, um ohne große Einarbeitung schnell zu ersten Ergebnissen für die Praxis mit Hilfe eines Einzelfunkenspektrometers zu kommen. Insgesamt zeigt sich, dass der Abgleich der Elementprofile gegenüber der herkömmlichen Spektrometermessung eine bessere Unterscheidung auch sehr ähnlicher