SFB 692: Hochfeste aluminiumbasierte Leichtbauwerkstoffe für Sicherheitsbauteile (Werkstoffe, Technologien, Prozessgestaltung) - HALS
Maschinenbau und Produktionstechnik
Sozial- und Verhaltenswissenschaften
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die zentrale Zielsetzung des SFB 692 bestand darin, das Potenzial aluminiumbasierter Leichtbauwerkstoffe unter Berücksichtigung der Einflüsse entlang der Prozesskette zur Herstellung von Sicherheitsbauteilen zu untersuchen und in großem Umfang auszuschöpfen. Die Forschung konzentrierte sich auf die Entwicklung, Herstellung und Charakterisierung sowie auf den Einsatz der neuen Leichtbauwerkstoffe in sicherheitsrelevanten Anwendungen. Eine Herausforderung war, dass Werkstoffkonzepte und Verarbeitungsprozesse so aufeinander abzustimmen waren, dass hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit über den gesamten Produktlebenszyklus erfüllt werden können. Insbesondere Masse- und Kostenreduzierungen spielten darüber hinaus eine wichtige Rolle im SFB. Umformtechnische Verfahren stellen einen sehr erfolgreichen Ansatz für die Einstellung besonders guter mechanischer Kennwerte, wie hoher Festigkeit bei gleichzeitig guter Verformbarkeit, dar, der sich zugleich durch eine hohe Wirtschaftlichkeit auszeichnet. Die Forschungsarbeiten im SFB – die sich in die drei Aktionsstränge „hochfeste Al-Knetlegierungen“, „Aluminium Matrix Composites (AMCs)“ und „hochfeste Al-basierte Verbunde“ gliedern lassen – zielten daher auf ein an die hohen Anforderungen angepasstes Auslegen, Herstellen und Veredeln aluminiumbasierter Leichtbauwerkstoffe ab. Die Arbeiten im ersten Aktionsstrang konzentrierten sich auf die Erzeugung fein- und feinstkörniger Gefüge in hochfesten Al-Knetlegierungen, die sich durch bisher nicht erreichbare Festigkeits-Duktilitäts-Kombinationen und zum Teil wesentlich verbessertes Korrosionsverhalten auszeichnen. Die Kornfeinung wurde über Severe Plastic Deformation (SPD-)Verfahren, insbesondere durch Equal-Channel Angular Pressing (ECAP) und daraus abgeleitete Verfahren, erzeugt. Dabei wurde erforscht, wie sich diese Verfahren neben der Erzeugung ultrafeinkörniger (ultrafine-grained, UFG) Gefüge auf die Ausscheidungskinetik von mittel- und hochfesten ausscheidungshärtbaren Aluminiumlegierungen auswirken. So konnten optimierte Wärmebehandlungen entwickelt werden, die eine wirtschaftliche Einstellung der gewünschten Eigenschaftskombinationen ermöglichen. Durch umfangreiche mikro- und kontinuumsmechanische Modellierung konnten zudem die Elementarprozesse, die bei komplexen Verformungspfaden ablaufen, untersucht werden. In weiteren Untersuchungen wurde erforscht, wie UFG-Oberflächen in gradierten Halbzeugen (mit normalkörnigem Kern) rissfrei hergestellt werden können und wie sich Gradienten auf die Eigenschaften der Halbzeuge auswirken. Weitere Forschungsaktivitäten betrachteten den neuartigen Ansatz, ein formgebendes SPD-Verfahren zu entwickeln, und untersuchten, wie sich tiefe Temperaturen auf die erreichbaren Umformgrade auswirken und innerhalb welcher Prozessgrenzen Verformungslokalisierungen bei SPD-Verfahren vermieden werden können. Im Fokus des zweiten Aktionsstranges standen partikelverstärkte Aluminium-Matrix-Verbundwerkstoffe (Aluminium Matrix Composites, AMCs) sowie die zerspanende oder elektrochemische Mikrostrukturierung ihrer Oberflächen. Durch Hochenergiemahlen wurden Verbundpulver erzeugt und kompakte Halbzeuge hergestellt. Dabei kamen auch nanoskalige Hartstoffpartikel und das Verfahren der Gasdruckinfiltration zum Einsatz. Die AMCs besitzen ein hohes Potenzial z. B. für Anwendungen, in denen erhöhte Temperaturen und/ oder tribologische Beanspruchungen auftreten. Daher wurde insbesondere in der dritten Förderperiode neben neuen Konsolidierungsverfahren und der Erzeugung von maßgeschneiderten Matrices durch Variation der Legierungselemente die thermische Stabilität der AMCs bei erhöhten Temperaturen untersucht. Der dritte Aktionsstrang war zunächst auf die Untersuchung von Magnesium-Verbunden mit Aluminiumummantelung beschränkt, die eine zusätzliche Massenreduktion mit gutem Korrosionsschutz kombinieren. Für die erfolgreiche Umsetzung dieses Konzeptes mussten die Vorgänge an inneren und äußeren Grenzflächen detailliert untersucht werden. In der dritten Förderperiode rückten zusätzlich Verbunde mit Stahlwerkstoffen in den Fokus, durch die das potentielle Anwendungsspektrum der hochfesten aluminiumbasierten Werkstoffe maßgeblich erweitert werden konnte. Durch die gemeinsame Forschung der wissenschaftlichen Teilprojekte in fünf Arbeitsgruppen wurden übergreifende Themenstellungen wie Tieftemperatur-Umformung, thermische Stabilität und die Anbindung an andere Werkstoffklassen, die eine besondere Relevanz auch für die Anwendung hochfester Al-basierter Werkstoffe in der industriellen Praxis besitzen, systematisch betrachtet. In der zweiten und dritten Förderperiode konnten insgesamt sieben erfolgreiche Transferprojekte initiiert werden, in denen gemeinsam mit Partnern aus der Industrie Grundlagenerkenntnisse des ingenieurwissenschaftlichen SFBs in Richtung Anwendung überführt wurden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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