Struktur-Eigenschafts-Beziehungen in lamellaren Metall-Matrix-Verbundwerkstoffen
Final Report Abstract
Im abgeschlossenen Projekt wurden von insgesamt fünf Projektpartnern in einem Paketantrag neuartige Metallmatrix-Verbundwerkstoff (MMC) mit lamellarer Struktur hergestellt, charakterisiert und modelliert. Diese Werkstoffe basieren auf porösen keramischen Preforms, die durch Gefriergießen, -trocknen und Sintern hergestellt und anschließend mit Metall infiltriert werden. Der Vorteil der beim Gefriergießen entstehenden Struktur mit Kolonien paralleler Keramiklamellen liegt in der sehr hohen Permeabilität bei gleichzeitig hoher Druckfestigkeit in Gefrierrichtung. Von den Projektpartnern konnte gezeigt werden, dass diese Eigenschaftskombination eine vollständige Infiltration der Preforms im Leichtmetall-Druckguss erlaubt und somit eine preisgünstige und etablierte Herstellungsroute für MMC mit lamellarer Struktur eröffnet. Zum Zeitpunkt der Antragstellung gab es keine Kenntnisse zu den mechanischen Eigenschaften dieser Materialien und den Möglichkeiten diese im gewünschten Sinne zu beeinflussen. Wesentliches Ziel des hier beschriebenen Teilprojekts war es daher, die zu erwartenden mechanischen Eigenschaften der neuartigen Verbundwerkstoffe zu modellieren und mit experimentellen Befunden zu vergleichen, um Versagensmechanismen und Optimierungspotential aufzudecken. Für die Modellierung wurden Finite-Elemente-Modelle mit Netzen eingesetzt, die aus Gefügebildern abgeleitet wurden und so eine detailgetreue Abbildung des Werkstoffs im FE- Modell ermöglichen. In einem ersten Schritt wurden die Verbundwerkstoffe auf der Skala einer Einzelkolonie mit parallelen Lamellen modelliert. Anschließend wurde ein FE-Modell von einer aus vielen Kolonien aufgebauten makroskopischen Probe erstellt und mit den auf der Mikroskala berechneten orientierungsabhängigen Fließkurven der Einzelkolonien unterlegt (Multiskalenmodellierung). Die gewonnenen Ergebnisse auf beiden Größenskalen wurden mit unterschiedlichen mikromechanischen Modellen und experimentellen Messungen verglichen. Für lamellare Al2O3/AlSi12 Verbundwerkstoffe mit einem Keramikgehalt von 35-45 Vol. % sagt die elastisch-plastische FE-Modellierung der thermischen Dehnung eine starke Anisotropie des thermischen Ausdehnungskoeffizienten in Einzelkolonien voraus. Die Anisotropie der thermischen Dehnung führt beim Abkühlen von der Infiltrationstemperatur auf Raumtemperatur zu hohen lokalen Eigenspannungen an Koloniegrenzen und –zwickeln, welche in Kombination mit glatten Metall-Keramik-Grenzflächen mit nur mäßiger Grenzflächenbruchzähigkeit zu vorzeitiger Ablösung und ungehinderter Rissausbreitung führen kann. In der Tat wurden im Experiment an Vielkolonieproben niedrige und streuende E-Module gefunden, was auf eine Schädigung hinweist. Dem entsprechend erreichten auch die Biegefestigkeiten von makroskopischen Proben typischerweise nur 100 MPa. Eine Beschichtung der Preforms mit verschiedenen Metallen und oxidiertem Cu führte in allen Fällen zu einer mehr oder weniger deutlichen Abnahme der Grenzflächenbruchzähigkeit. FE-Modelle mit Grenzflächenablösung sagten eine Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften durch die Beschichtungen voraus, die auch beobachtet wurde. Im Rahmen des Projekts wurden Methoden zur Erstellung von FE-Netzen entwickelt, mit denen Gefüge auf unterschiedlichen Größenskalen realistisch modelliert werden können. Insbesondere wurde eine Routine entwickelt, welche Grenzflächenelemente an Materialgrenzen beliebiger FE-Netze einfügt. Diese Methoden sollen weiterentwickelt werden, um halbautomatisiert hochwertige FE-Netze mit Kohäsivzonenelementen aus Mikrotomographiedaten zu erstellen. Die so erstellten Modelle lassen auch komplexe Simulationen an Gefügen von anderen Verbundwerkstoffen, porösen Materialien oder auch bionischen Strukturen zu. Die Modellierung der lamellaren MMC selbst lässt erkennen, dass durch eine andere Lamellenstruktur mit offenen Mikroporen oder poröser Oberfläche erhebliche Verbesserungen bei den mechanischen Eigenschaften zu erwarten sind. Die erstellten Werkstoffmodelle sagen voraus, dass durch Verwendung anderer Aluminiumlegierungen zur Infiltration deutliche Änderungen bei der Anisotropie der thermischen Dehnung und eine Absenkung von Eigenspannungen an den Koloniegrenzen möglich sind. Dergestalt optimierte lamellare MMC könnten für tribologisch oder thermisch belastete Bauteile durchaus attraktiv sein, zumal durch die Herstellung im Druckguss potentiell niedrige Herstellungskosten erreichbar sein sollten.
Publications
- 16. DGM Symposium Verbundwerkstoffe: Struktur-Eigenschaftsbeziehungen in Preform- MMC, DGM-Symposium Verbundwerkstoffe, 14-16. März 2007, Bremen
- Euromat: Micromechanical Modelling of Idealized and Real Microstructures of Freeze Cast Metal Matrix Composites with Lamellar Microstructure, 10.-13. September 2007, Nürnberg
- "Elastic Constants of Metal/Ceramic Composites with Lamellar Microstructure: Finite Element Modelling and Ultrasonic Experiments“, Composite Science and Technology 69, 620-626 (2009)
T. Ziegler, A. Neubrand, S. Roy, A. Wanner, R.Piat
- 17. DGM Symposium Verbundwerkstoffe: Modellierung der Eigenschaften und des Versagens von Metallmatrix-Verbundwerkstoffen mit lamellarer Struktur, 1.-3. April 2009, Bayreuth
- DGM-Fachausschuss „MMC und zellulare Metalle“, 17. November 2009, Freiburg: „Gefügebasierte Multiskalenmodellierung von Metallmatrix-Verbundwerkstoffen“
- „Modellierung der Eigenschaften und des Versagens von Metallmatrixverbundwerkstoffen mit lamellarer Struktur“, Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde, W. Krenkel (Hrsg.), Wiley VCH, Weinheim 2009, S. 46-51
T. Ziegler, A. Neubrand
- Struktur-Eigenschafts-Beziehungen in lamellaren Metall-Matrix-Verbundwerkstoffen, Dissertation, 2010
Tobias Ziegler
- „Multiscale homogenization models for the elastic behaviour of metal/ceramic composites with lamellar domains“, Composites Science and Technology 70, 664–670 (2010)
T. Ziegler, A. Neubrand, R. Piat
