Ein Beitrag zur Herstellung von Durchdringungsverbundwerkstoffen mittels Formgebung im teilflüssigen Zustand

Abstract

Metall-Keramik-Durchdringungsverbundwerkstoffe (MKD) zeichnen sich gegenüber anderen Verbundwerkstoffen insbesondere durch eine dreidimensional zusammenhängende und damit kontinuierliche Struktur beider Werkstoffkomponenten aus. Aufgrund dieser einzigartigen dreidimensionalen Verknüpfung der beiden Verbundpartner ist es möglich, das Potenzial von Metallen und Keramiken auszuschöpfen und die Eigenschaften beider Werkstoffklassen zu einem Werkstoff mit neuen und erweiterten Eigenschaften zu vereinen. Daraus ergeben sich eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten wie beispielsweise in der Elektro- und Energietechnik, in Hochtemperaturanwendungen, in der Luft- und Raumfahrttechnik, im Automobil- und Fahrzeugbau, im Maschinenbau und in der Medizintechnik. Die keramische Komponente, welche als offenporige Struktur vorliegt, wird im Rahmen konventioneller Gießverfahren üblicherweise mit einer flüssigen Legierung drucklos oder unter Druck infiltriert. Dabei kommt es jedoch zu Defiziten bezüglich der strukturellen Eigenschaften der hergestellten Verbunde. So treten bei Verfahren mit sehr hohen Temperatur- und Druckniveaus zumeist Schädigungen der keramischen Komponente auf. Außerdem kann es zu ausgeprägten Ablösungserscheinungen der beiden Komponenten voneinander kommen. Bei Verfahren mit geringeren Prozesstemperaturen und -drücken kann hingegen eine unvollständige Formfüllung oder eine Restporosität nicht immer vermieden werden. Die Formgebung im teilflüssigen Zustand weist dahingegen vielversprechende Prozesseigenschaften bezüglich der Herstellung von MKD auf. Bei diesem Verfahren erfolgt eine Umformung von speziellen metallischen Halbzeugen, die zuvor in den Temperaturbereich zwischen Solidus- und Liquiduslinie erwärmt wurden. In diesem charakteristischen teilflüssigen Zustand besitzen solche Legierungen gute Fließeigenschaften. Dadurch können, ähnlich der Herstellung durch Gießver fahren, komplexe, endkonturnahe Bauteilkonturen in einem einzigen formgebenden Prozessschritt hergestellt werden. Gleichzeitig weisen die mittels dieses Verfahrens hergestellten Bauteile hervorragende mechanische Eigenschaften auf, die annähernd mit denen von konventionellen Schmiedeteilen aus Aluminiumlegierungen vergleichbar sind. Somit herrscht bei der Formgebung im teilflüssigen Zustand im Vergleich zu konventionellen Verfahren zur Herstellung von MKD ein geringeres Temperaturniveau im Halbzeug. Jedoch liegt gleichzeitig auch eine ausreichend geringe Viskosität und somit ein gutes Fließverhalten der Legierung vor, um eine Infiltration der Poren der keramischen Komponente zu ermöglichen. Vor diesem Hintergrund bestand die wesentliche Zielsetzung der in dieser Arbeit dargestellten Forschungsarbeiten darin, die Herstellung von Durchdringungsverbundwerkstoffen mittels der Formgebung im teilflüssigen Zustand zu ermöglichen. Dabei wurde mittels numerischer und experimenteller Untersuchungen ein entsprechendes Prozessfenster für die Temperatur, die Viskosität und den Druck ermittelt, bei dem die Herstellung von MKD ohne strukturelle Defizite möglich ist. Um diese idealen Einstellungen identifizieren zu können, musste einerseits ein Simulationsmodell für entsprechende numerische Untersuchungen sowie ein geeignetes Werkzeug- bzw. Verfahrenskonzept für experimentelle Untersuchungen entwickelt werden. Im Einzelnen wurden da bei die nachfolgend zusammengefassten Forschungsinhalte bearbeitet. Zunächst wurden sowohl der eingesetzte keramische als auch der metallische Versuchswerkstoff umfassend hinsichtlich ihrer chemischen, morphologischen und physikalischen Eigenschaften sowie ihrer Wechselwirkungen charakterisiert. Diese Materialparameter dienten einerseits der Einordung der erzielten Eigenschaften der hergestellten MKD und kamen weiterhin als Eingangswerte für die neu entwickelte numerische Simulationsmethodik zur Abbildung der Herstellung von MKD mittels der Formgebung im teilflüssigen Zustand zum Einsatz. Im Rahmen dieser Simulationsmethodik wurde die Infiltration einer offenporigen, keramischen Struktur mit einer Aluminiumlegierung im teilflüssigen Zustand sowohl anhand eines geometrischen Modells der offenporigen Struktur als auch mittels eines Infiltrationswiderstandsmodells abgebildet. Die Abbildegenauigkeit beider Varianten konnte anhand des Fließfrontverlaufes mittels experimenteller Formgebungsversuche nachgewiesen werden. Außerdem konnte aufgezeigt werden, dass die Rechendauer der Modellierung anhand des Infiltrationswiderstandsmodells im Vergleich zur geometrischen Modellierung signifikant geringer ist. Anschließend erfolgte eine Übertragung der entwickelten Simulationsmethodik auf die Herstellung von realen MKD-Proben. So war es möglich, den Einfluss signifikanter Prozessparameter wie der Geschwindigkeit während der Formgebung, des Flüssigphasenanteils der teilflüssigen Aluminiumlegierung, der initialen Temperatur der keramischen Komponente sowie deren Porendichte auf die während des Herstellungsprozesses wirkende Temperatur und Viskosität sowie den Druck vorherzusagen. Anhand von festgelegten Grenzwerten für diese Zielgrößen wurde so ein Prozessfenster zur Herstellung leistungsfähiger MKD-Bauteile identifiziert. Im Anschluss an diese numerische Prozessentwicklung war es möglich, MKD ohne die bei den konventionellen Verfahren auftretenden strukturellen Defizite mit keiner bzw. sehr geringer Restporosität und intakter keramischer Komponente herzustellen. Weiterhin konnten anhand dieser experimentellen Untersuchungen das numerische Modell und die ermittelten Prozessgrenzen validiert werden. Die anschließende umfassende Charakterisierung der hergestellten MKD-Proben zeigte auf, dass ein Verbundwerkstoff mit einem neuen Eigenschaftsprofil aus Eigenschaften der metallischen und der keramischen Komponente generiert wurde. Dabei konnte eine Abschätzung der erzielten mechanischen Materialeigenschaften mittels der „Rule of Mixture“ vorgenommen werden, sodass dahingehend mit der in dieser Arbeit vorgestellten Prozessroute ein auf verschiedene Anwendungsfälle maßgeschneiderter Verbund kreiert werden kann.