Zerstörungsfreie und innovative Analyse von metallischen Massivgläsern mittels Röntgen-Computertomographie
Profitieren Sie von der innovativen Röntgen-Computertomografie zur Erkennung von Mikrostrukturen und Fehlerquellen ohne Probenzerstörung
Die zerstörungsfreie Analyse metallischer Massivgläser stellt eine wesentliche Herausforderung in der Materialforschung dar, da herkömmliche Prüfverfahren oft Eingriffe am Probenmaterial erfordern. Mit der Röntgen-Computertomografie (CT) eröffnet sich ein innovativer Ansatz, der hochauflösende 3D-Einblicke in die innere Struktur dieser Werkstoffe ermöglicht, ohne deren Integrität zu beeinträchtigen. Dieser Beitrag beleuchtet die technischen Potenziale und Anwendungsbereiche der CT für Massivgläser, insbesondere hinsichtlich der Fehleranalyse und der Qualitätskontrolle. Dabei wird aufgezeigt, wie diese Methode präzise Erkenntnisse über Mikrostrukturen liefert und damit entscheidend zur Optimierung von Herstellungsprozessen beiträgt. Die Kombination aus zerstörungsfreier Prüfung und moderner Bildgebungstechnologie verspricht neue Perspektiven für Forschung und Industrie gleichermaßen.
Metallische Gläser zeichnen sich durch besondere Eigenschaften wie hohe elektrische Leitfähigkeit, überdurchschnittliche Streckgrenze, Korrosionsbeständigkeit und außergewöhnliche Formbarkeit aus. Diese Merkmale machen sie für die Industrie und Forschung äußerst wertvoll. Anders als kristalline Werkstoffe besitzen metallische Gläser eine amorphe Struktur, bei der die Atome ungeordnet, also ohne regelmäßiges Gittermuster, angeordnet sind.
Die Herstellung solcher Metalle erfordert präzise Bedingungen: Nur wenige Legierungen wie Palladium/Nickel/Phosphor (PdNiP) mit Zusätzen aus Eisen oder Kobalt sind geeignet. Dabei ist eine hohe Abkühlgeschwindigkeit entscheidend, damit sich keine Kristalle bilden. In dicken Werkstücken kann es jedoch aufgrund ungleichmäßiger Abkühlung zu Defekten wie Porosität oder Hohlräumen kommen. Diese Defekte entstehen, weil äußere Bereiche schneller erstarren als das Innere, wodurch im Kern oftmals nicht genügend flüssiges Material verbleibt, um das Volumen vollständig zu füllen.
Für Anwender ist es deshalb essenziell, diese inneren Strukturen zuverlässig zu prüfen – idealerweise, ohne das Material zu beschädigen. Die Röntgen-Computertomographie (CT) bietet hier eine ausgezeichnete Lösung.
Präzise Materialprüfung mit EasyTom S-System
Im Labor der PHI GmbH in Feldkirchen wurden metallische Glasproben mit dem EasyTom S-System von RX Solutions untersucht. Dabei wurden die Scaneinstellungen so optimiert, dass eine hohe Auflösung von etwa 5 Mikrometern (Voxelgröße) erreicht wurde. Trotz kleiner Proben von etwa 1 mm Höhe und 3 mm Durchmesser dauerte jeder Scan mehrere Stunden.
Die Proben wurden dazu dicht an der Röntgenquelle positioniert, um bestmögliche Bilder zu erhalten und diese hohe Auflösung zu erzielen. Untersucht wurden zwei Proben: eine unverformte und eine mit 4 % plastischer Verformung. Das Ziel war es, Defekte sichtbar zu machen und die geometrischen Veränderungen durch Verformung zu vergleichen.
Porosität und Defekte im Kern sichtbar machen
Die Untersuchung zeigte, dass selbst unverformte Proben kleine Poren im Inneren aufweisen. Bei der verformten Probe sind die Poren breiter und flacher, was auf die mechanische Belastung zurückzuführen sein kann. Zusätzlich wurde in der verformten Probe ein größerer Hohlraum entdeckt, der vermutlich aus dem Erstarrungsprozess stammt. Für Anwender bedeutet dies: CT ermöglicht die erkenntnisreiche, zerstörungsfreie Erkennung von innerer Porosität und Defekten, die für die Materialqualität entscheidend sind.
Verformungen exakt nachvollziehen
Der Vergleich der beiden Proben verdeutlicht, wie sich das Material bei plastischer Verformung verändert. Dieses Verfahren bietet folgende Vorteile:
So erhalten Anwender genaue Erkenntnisse über die Verformung, ohne das Material zu beschädigen.
Dichte- und Elementverteilung aufdecken
Die Analyse der Graustufen im Scan offenbart außerdem eine mögliche radiale Variation der Dichte oder Elementzusammensetzung in den Proben. So könnte sich in der Probe eine größere Dichte im äußeren Bereich gegenüber dem Kern herauskristallisieren. Für Anwender ist das besonders wertvoll, da es auf eine inhomogene Materialzusammensetzung hinweist, die Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften haben kann. Dies korrespondiert mit der bekannten Abkühlungsdynamik während der Herstellung. Solche Hinweise können außerdem helfen, anschließende Analyse- und Messmethoden auszuwählen, wie etwa EDX.
Hinweis auf Scherbandstrukturen
Ein weiteres Potenzial der CT zeigte sich in der Identifikation von Scherbändern – lokalen Zonen intensiver Dehnung, die durch die Verformung entstehen. Die virtuellen Schnitte deuteten auf solche Strukturen hin, die in der Werkstoffforschung von großer Bedeutung sind, um das Materialverhalten besser zu verstehen.
Mögliche Anwendungsgebiete metallischer Gläser
Metallische Gläser finden aufgrund ihrer herausragenden mechanischen, elektrischen und chemischen Eigenschaften vielfältige Anwendung in Industrie und Forschung. Zu den wichtigsten Anwendungsbereichen zählen:
Diese breite Palette zeigt den hohen Stellenwert metallischer Gläser als zukunftsweisende Materiallösung für zahlreiche Branchen.
Fazit:
Vorteile der zerstörungsfreien CT-Analyse für Anwender
The use of X-ray computed tomography offers users in industry and research the following advantages:
Diese umfassende, hochauflösende Analyse unterstützt Anwender dabei, die Qualität und Zuverlässigkeit metallischer Gläser sicherzustellen und Einblicke in deren innere Struktur zu gewinnen – eine wichtige Grundlage für Weiterentwicklung und Qualitätssicherung.
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