Hochtemperaturverformung geschlossenzelliger Aluminiumbasisschäume

Abstract

In der vorliegenden Dissertation wurde das Kriechverhalten geschlossenzelliger Aluminiumbasisschäume (Handelsname: Alporas®) in drei Varianten (die relativen Dichten sind: 0,092, 0,112 und 0,163) untersucht. Es wurden Druckkriechversuche bei einer Temperatur von 300°C durchgeführt, wobei sich minimale Dehnraten zwischen 10-9 und 10-4 s-1 einstellten. Vollmaterialproben mit gleicher chemischer Zusammensetzung wie das Zellwandmaterial wurden durch Umschmelzen des Schaums hergestellt und bei gleicher Temperatur und im gleichen Dehnratenbereich wie die Schäume untersucht. Die Schäume zeigen eine niederere Kriechfestigkeit und eine höhere Spannungs-empfindlichkeit, als es durch das Modell von Gibson und Ashby für ideal regelmäßige Schäume vorhergesagt wird, wobei zur Berechnung morphologische Information des Schaums sowie Kriechergebnisse der Vollmaterialproben zu Grunde gelegt sind. Zwei fundamental verschiedene Erklärungen werden für die gefundenen Abweichungen diskutiert: (1) Im Gegensatz zum Vollmaterial wird bei der Hochtemperatur-verformung des Schaums die minimale Dehnrate durch spannungsabhängige, geometrische Instabilitäten seiner Struktur beeinflusst, und (2) bei gleicher makroskopischer Dehnrate weicht der dominierende Verformungsmechanismus des untersuchten Vollmaterials von demjenigen in den Zellwänden des Schaums ab. Das Modell von Gibson und Ashby stellt eine untere Grenze tatsächlich auftretender Dehnraten dar. Für Vollmaterial ist eine empirische Näherungsformel zur Beschreibung des Übergangsverhaltens vom Versetzungskriechen zum Versetzungsgleiten bekannt. Angewandt für Schaum, kann der einzig notwendige Fit-Parameter dieser Gleichung mit Hilfe des Ergebnisses jeweils eines Hochtemperaturverformungstests bestimmt werden. Die so gefundene Gleichung beschreibt das Kriechverhalten der untersuchten Schaumvarianten gut. Mittels pulvermetallurgischer Herstellungsroute wurden Aluminiumbasisschäume mit dispersionsverstärktem, und somit kriechverfestigtem Zellwandmaterial hergestellt und untersucht, womit ein Weg zur Verbesserung der Warmfestigkeit hochporöser Aluminiumwerkstoffe aufgezeigt ist.

Within this doctoral theses the creep behaviour of commercially produced closed cell aluminium based foams (trade name: Alporas®) in three variants (relative densities are 0.092, 0.112 and 0.163) was studied. Compressive creep tests were performed at 300°C and at strain rates ranging from 10-9 to10-4 s-1. Bulk reference material exhibiting the same chemical composition as the cell walls was produced by melting the foam and investigated at the same temperature and in the same strain rate regime as the foam variants. Results of the foam creep experiments show that the three variants exhibit a lower creep strength and a higher stress exponent than predicted by the Gibson and Ashby model for ideally regular foams, using morphologic information about the three investigated variants and the creep data of the bulk reference material. Two fundamentally different mechanisms can in principle be responsible for the deviations found: (1) The minimum creep rate observed in the creep test is affected by stress-dependent geometric instabilities which are only present in the foam, and (2) the dominating deformation mechanism in the cell wall material is different from that acting in the bulk reference material at the same macroscopic stain rate. An empirical rate equation, known for describing the power law breakdown behaviour of fully dense material, is based on Gibson and Ashby?s model as a lower bound of strain rate and on one single deformation test at elevated temperature. The equation describes the experimentally found creep data of the three investigated foam variants well. Making use of a powder metallurgic production route, aluminium based foams exhibiting dispersion strengthened and therefore creep resistant cell wall material have been produced and investigated. So a way to improve the creep resistance of highly porous aluminium based materials is proposed.