Multiskalen Tomographie: FIB-Tomographie und Atomsonde an AlSi-Legierungen

Aluminium-Silizium-Gusslegierungen sind von großer technologischer Bedeutung. Ihre mikrostrukturelle Besonderheit liegt in der Gestalt des Eutektikums, die wesentlichen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs hat. Ohne weitere Legierungselemente bilden sich große, zusammenhängende Silizium-Platten mit scharfen Kanten, die als Risskeime wirken können. Durch die Zugabe kleinster Mengen von Veredelungselementen wie z.B. Natrium oder Strontium im Bereich einiger 100 ppm, ändert sich die Morphologie des Eutektikums hin zu einer korallenartigen Struktur, was die mechanischen Eigenschaften deutlich verbessert (Abbildung 1).

Obwohl diese Technik industriell bereits seit Jahrzehnten eingesetzt wird, ist es erst in den letzten Jahren möglich geworden, die metallurgischen Mechanismen durch fortgeschrittene Techniken der Gefügeanalyse aufzuklären. Dazu wurden am Lehrstuhl für Funktionswerkstoffe verschiedene Techniken kombiniert, die durch das Gerätezentrum CoMiTo bereitgestellt werden.
Mit Hilfe von FIB-Tomographie lässt sich die Gestalt des Eutektikums dreidimensional erfassen. Erst dadurch werden zusammenhängende Bereiche als solche erkennbar (Abbildung 2).

Um zu verstehen, wie derart geringe Gehalte an Veredelungselementen so tiefgreifende Veränderungen der Morphologie bewirken, kommt die Atomsondentomographie zum Einsatz. Sie erlaubt es, kleine Volumina (ca. 50x50x300 nm³) mit sub-nm Auflösung und chemischer Empfindlichkeit im ppm-Bereich dreidimensional zu vermessen. Abbildung 3 a zeigt die Rekonstruktion einer Atomsondenspitze aus der Si-Phase einer Sr-veredelten AlSi7-Legierung. Grau Punkte stellen Si-Atome dar, rote und grüne Isokonzentrationsflächen begrenzen Bereiche mit erhöhtem Gehalt an inkorporiertem Strontium und Aluminium. Letztere treten als Segregationen in verschiedenen Formen auf, stäbchenartig, planar und sphärisch (Abbildung 3 b).

Mit Hilfe der Atomsondentomographie konnten wichtige Erkenntnisse über den Veredelungsmechanismus gewonnen werden.