Kriechverhalten von Al-Metall Matrix Verbundwerstoffen

Anspruchsvolle, technische Anwendungen von Konstruktionswerkstoffen erfordern Eigenschaftsprofile wie niedriges Gewicht, hohe Steifigkeit, Festigkeit und Zähigkeit, gute thermische und elektrische Leitfähigkeit, ausreichende Beständigkeit gegen Korrosion, sowie gegen Ermüdungs- und Temperaturbelastung. Das Ziel der Entwicklung von Metall-Matrix Verbundwerkstoffen (MMCs) in den letzten Jahrzehnten war, diese Eigenschaftskombination an die Gebrauchsanforderungen anzupassen. Unterschiedliche Legierungen als Matrix, sowie unterschiedliche Arten, Geometrien und Architekturen der Verstärkungskomponenten ergeben Verbesserungen gegenüber konventionellen Legierungen, aber auch Nachteile, vor allem in der Wirtschaftlichkeit. Al-MMCs mit diskontinuierlicher, keramischer Verstärkung werden für High-Tech Anwendungen eingesetzt, da sie hohe spezifische mechanische Eigenschaften wie E-Modul und Festigkeit anbieten, aber auch relativ kostengünstig hergestellt werden können. Die Temperaturbeständigkeit von Al-MMCs erscheint weiterhin verbesserungsfähig, wenn das zugrundeliegende Verständnis der heterogenen, thermischen Aktivierung vertieft wird. Die Kriechbeständigkeit dieser Verbundwerkstoffe ist von der örtlichen Verteilung der inneren Spannungen abhängig, also hauptsächlich von Volumenanteil, Grösse, Form und Architektur der nicht plastifizierenden Verstärkung. Die Fachliteratur sowie eigene Untersuchungen zeigen, dass keramische Kurzfasern eine Erhöhung der Kriechbeständigkeit gegenüber der unverstärkten Matrix aufweisen, während keramische Partikeln eine Verschlechterung verursachen können. Das Ziel des vorliegenden Projektes ist ein grundlegendes und allgemein anwendbares Verständnis des Langzeit-Kriechverhaltens von diskontinuierlich verstärkten MMCs zu erarbeiten, um das Optimierungspotential auszuloten. Experimentelle Untersuchungen werden an Modellwerkstoffen, die in Zusammenarbeit mit internationalen Kooperationspartnern hergestellt werden, und an MMCs durchgeführt, die kommerziellen Varianten entsprechen: 1) eine unverstärkte und partikelverstärkte Al-Cu Legierung mit 2 unterschiedlichen Partikelsorten und mit verchiedenen Volumenanteilen und Verstärkungsgrößen. 2) unverstärkte und Al2 O3 -kurzfaserverstärkte Al-Si Legierungen, um den Effekt der Kurzfasern und ihrer dreidimensionalen Verkettung durch eutektisch erstarrtes Si zu studieren. Vor und im Laufe der Kriechexperimente werden die Materialien mittels E-Modul Messungen, Zugversuchen bei erhöhter Temperatur, Mikrokalorimetrie (DSC), Dilatometrie und Metallographie charakterisiert. Die während Abkühlung von der Herstellungstemperatur induzierten innere Spannungen und Poren, sowie deren Änderung bis zum Versagen während der Kriechprüfungen werden mittels Neutronen- und Synchrotrondiffraktometrie, sowie mittels Röntgen- und Synchrotron-Computer-Tomographie untersucht. Die experimentellen Untersuchungsergebnisse liefern einerseits die Eingabedaten für die Modellierung des Kriechverhaltens der untersuchten MMCs, andererseits dienen sie zur Verifizierung der Ergebnisse der Modellrechnung und zur Prognose des Verbesserungspotenzials.

Die Einsatzvorteile von Aluminiummatrix-Verbundwerkstoffen (MMC) mit Kurzfaser- oder Teilchenverstärkung gegenüberjeder Aluminiumlegierung sind ihre höhere spezifische Steifigkeit und eine bessere Verschleißbeständigkeit als Stähle. Vor allem bei erhöhter Temperatur, können auch höhere spezifische Festigkeiten als mit unverstärkten Aluminiumlegierungen erzielt werden. Der relativ hohe Preis dieser MMC ist die aktuelle Marktbarriere, aber der Wert der Gewichtseinsparungen im Fahrzeugbau steigt beständig, sodass das Interesse wieder zunimmt. Die im Gefüge der MMC begründeten Ursachen für die Warmfestigkeit bei 300C wurden erforscht, um auch die Beständigkeitsdauer vorhersagen zu können. Das Projekt bestand aus 2 Teilen: 1) Teilchenverstärkte Aluminiumknetlegierungen (PRM): An Proben aus Aluminiumstrangpressprofilen einer Luftfahrtlegierung AW2024, die mit SiCTeilchen unterschiedlicher Größe verstärkt sind, wurden Kriechuntersuchungen bei 300C über mehrere 1000 Stunden durchgeführt. Der Einfluss der Teilchengröße <30 micro-m wurde in der Fachliteratur widersprüchlich beurteilt. Mit dem spanischen Projektpartner CENIM wurden pulvermetallurgisch SiC-Teilchen in Größen zwischen 5 und 20 micro-m vermischt. Falls diese Teilchen nur eingemischt werden, wirken diese als Versetzungsquellen, die die Kriechbeständigkeit verschlechtern. Durch Kugelmahlen wurden diese SiC-Teilchen, unabhängig von der zugesetzten Größe, in den Sub-micro-m-Bereich verkleinert. 2-4 Vol.% SiC-Teilchen < 1 Irin reichen aus, um als Versetzungshindernisse die Kriechbeständigkeit gegenüber den unverstärkten Aluminiumlegierungen um eine Größenordnung in der Kriechrate und um das Doppelte der Belastungs-spannung zu erhöhen. Die Gefügeunterschiede wurden mittels Synchrotron- Holotomografie und Durchstrahlungselektronenmikroskopie quantifiziert, sodass nun Klarheit über den Größeneinfluss der Keramikteilchen auf das Kriechveralten der Legierungen erzielt wurde. 2) Kurzfaserverstärkte Aluminiumgusslegierungen (SFRM): Vorformen aus in einer Ebene statistisch verteilten, keramischen Kurzfasern wurden von Projektpartnern mit Kolbenlegierungen des AI-Si-Systems infiltriert. Derart hergestellte Proben weisen in der Faserebene sowohl eine hohe Steifigkeit als auch eine hohe Warmfestigkeit auf. Kriechversuche an diesen SFRM bis über 1 Jahr lang ergaben eine Verbesserung der Kriechbeständigkeit mit der Dauer der Belastung. Mittels Synchrotron-Tomografie konnte die zeitliche Zunahme der Konnektivität der Fasern mit der Siliziumstruktur festgestellt werden. Mittels Neutronendiffraktometrie wurde die Lastübernahme durch das dreidimensionale Verstärkungsnetzwerk nachgewiesen und mittels eines Materialmodells eines interpenetrierenden MMC in Simulationsrechnung bestätigt. Diese neuen Erkenntnisse bezüglich der Warmfestigkeit von Aluminiummatrix-Verbundwerkstoffen wurden in wissenschaftlichen Zeitschriften und in einem Buchkapitel veröffentlicht. Die Umsetzung in technische Produkte wird mit potenziellen Anwendern erörtert, die langfristig langlebigen Leichtbauteilen suchen, die thermomechanisch belastet werden.