Gefüge Design von Al-Gusslegierungen für hoch Temperatur

Gegenüber Ti- und Mg-Legierungen gewinnen Aluminiumlegierungen zunehmend an Bedeutung als kostengünstigerer Leichtwerkstoff mit ausgezeichneten Eigenschaften. Insbesonders Al-Si-Gussteile werden in der Automobil- und Luftfahrtsindustrie zunehmend eingesetzt. Gusslegierungen mit >7 Gew% Si bilden Eutektika aus dreidimensionalen (3D) Si-Netzwerken, die in die duktile a-Al-Matrix eingebettet sind. Die in sich verbundene, keramische Si-Struktur im Eutektikum bewirkt eine Festigkeitserhöhung durch die Lastumverteilung von der Al- Matrix zum Si-Netzwerk. Das Zulegieren von Übergangselementen wie Ni und Cu erhöht die Warmfestigkeit von Al-Si-Legierungen durch die Bildung temperaturbeständiger intermetallischer Phasen. Der Antragsteller konnte jüngst zeigen, dass schon 1Gew% Ni zusätzlich zum eutektischen Si dreidimensional zusammenhängende Strukturen bilden kann. Darüberhinaus verschränken sich beide hochfesten Phasen zu einer weitreichenden, hybriden 3D-Struktur. Die Kontiguität zwischen den Aluminiden und dem Si bleibt bei Lösungsglühbehandlungen erhalten und verhindert die Einformung des eutektischen Si, wie sie in Ni-freien Al-Si-Legierungen beobachtet wird. Die komplexe, hybride 3D-Struktur ist unterhalb der eutektischen Temperatur thermisch stabil. Die thermomechanischen Eigenschaften dieser Legierungen werden von der geometrischen Anordnung der verstärkenden Phasen geprägt. Die Festigkeitserhöhung durch zusammenhängende Netzwerke der steifen Phasen ist bei erhöhten Temperaturen besonders stark, wenn die Fließgrenze der Al-Matrix sinkt und die Last hauptsächlich von den Verstärkungsphasen getragen wird. Die Bestimmung des Potenzials der temperaturabhängigen Lastübertragung auf die Si-Struktur und die intermetallischen Phasen stellt eine werkstoffwissenschaftliche Herausforderung dar, die die Beschreibung der 3D-Architektur der Phasenanordnung voraussetzt. Mit dem Ziel der Verbesserung der Warmfestigkeit der Al-Si-Legierungen stellt sich das Projekt folgende Forschungsaufgaben: a) Charakterisierung der Wechselbeziehung zwischen eutektischem Si und den Aluminiden der Elemente Fe, Ni, Cu und Si nach verschiedenen Wärmebehandlungen, um mittels neuer tomografischer Methoden die Architektur dieser steifen Phasen zu beschreiben. b) Bestimmung der Temperaturbeständigkeit der 3D Verstärkungsstrukturen und ihrer Lastübernahmekapazität mittels in situ Messungen der inneren Spannungen mit Röntgen- und/oder Neutronendiffraktion.

Aufgrund ihres geringen Gewichts sind Al-Legierungen im Transportwesen weit verbreitet und werden basierend auf dem Al-Si System für Zylinderköpfe, Kolben und Ventilstößel verwendet. Die Brennraumgase eines Dieselmotors können während eines Verbrennungszyklus bis zu ~300-400 C mit thermischen Zyklen von ~?T=220 C, beim Motorstart bis zu 300 C, erreichen. Daher sind Hochtemperaturfestigkeit und thermische Ermüdungsbeständigkeit wichtige Designanforderungen von Kolbenlegierungen. Frühere Studien an AlSi12 und AlSi12Ni Legierungen zeigten, dass Al-Si Gusslegierungen aus weicher ?-Al Matrix und einem dreidimensionalen Netzwerk von rigiden Phasen aus eutektischem Si sowie etwaigen Ni-reichen Aluminiden besteht. Die Morphologie und Interkonnektivität dieses rigiden Netzwerkes kann durch Lösungsglühen zu maßgeschneiderten thermomechanischen Eigenschaften führen. Analog werden Al-Mg-Si Legierungen von einer ?-Al Matrix und zumindest von der eigenschaftsbestimmenden intermetallischen Phase Mg2Si gebildet. Darauf basierend wurden Projektziele definiert um folgendes zu ermitteln:a) Die Interaktion von eutektischem Si oder Mg2Si mit verschiedenen Cu-, Ni- und Fe-basierten Aluminiden in Al-Si und Al-Mg-Si Gusslegierungen. Die geformte Architektur von eutektischen Phasen und Aluminiden, sowie deren Veränderung nach verschiedenen Wärmebehandlungen, wurden mittels fortschrittlicher 3D tomographischer Methoden charakterisiert und quantifiziert.b) Die Verstärkungskapazität bei hohen Temperaturen der 3D Strukturen untersucht in a). Dies wurde durch Ermitteln des thermomechanischen Verhaltens von Multiphasen Al-Legierungen erreicht.Die Untersuchungen zeigten, dass die Zugabe von Cu, Ni und Fe in der Formation von verschiedenen komplexen starren Aluminiden, deren thermische Stabilität von Gussparametern und anschließendem Lösungsglühen beeinflusst wird, resultiert. Desweiteren besitzen diese Aluminide ein hohes Maß an Kontiguität miteinander und mit dem eutektischem Si, was zu einer weiträumigen hybriden 3D Struktur eingebettet in der Al-Matrix führt, welche die Raum- und Hochtemperaturfestigkeit und thermische Ermüdungsbeständigkeit der Legierung bestimmt. Die hohe Kontiguität zwischen Aluminiden und eutektischem Si reduziert stark die bekannte Spherodisierung von eutektischem Si und bewahrt die Festigkeit der Al-Si Legierungen selbst nach langem (>4h) Lösungsglühen. Die Zugabe von ~ 2 wt% Ni und ~ 5 wt% Cu zeigte das beste Ergebnis bei Festigkeit und thermischer Ermüdungsbeständigkeit. Bei Al-Mg-Si Legierungen zeigen die aus dem Projekt erhaltenen Ergebnisse, dass Mg2Si ebensolche starren 3D Netzwerke, deren Morphologie und Konnektivität durch Lösungsglühen modifiziert werden kann, bildet. Die Festigkeit bei 300C verringert sich nach 1h bei 540C und bleibt praktisch konstant nach weiterem Lösungsglühen. Die Korrelation mittels morphologischer Analyse zeigt, dass der dominante Prozess im Bereich des Festigkeitsverlustes die partielle Verringerung der Interkonnektivität von Mg2Si ist, während die Form praktisch konstant bleibt. Das heißt, dass die Hochtemperaturfestigkeit empfindlicher auf die Interkonnektivität der Mg2Si Architektur als auf die Form der individuellen Partikel reagiert.