Herstellung und Charakterisierung neuartiger Metallmatrix-Verbunde mit Verstärkungen aus NiNbSn Gläsern
Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Wachsende Anforderungen an Bauteile erfordern angepasste Werkstoffeigenschaften. Metallmatrixverbunde ermöglichen dabei durch gezielte Kombinationen unterschiedlicher Werkstoffe die Möglichkeit die Werkstoffeigenschaften eines Verbunds auf eine bestimmte Anwendung maßzuschneidern. Herkömmlicherweise wurden in Metallmatrixverbunden bisher überwiegend keramische Verstärkungsmaterialien verwendet. Aufgrund der unterschiedlichen Bindungstypen von keramischer Verstärkungsphase und metallischer Matrix kommt es dabei häufig zu geringer Grenzflächenanbindung, die von der Bildung spröder Grenzflächenphasen begleitet wird. Diese führen wiederum zu einer Verschlechterung der makroskopischen mechanischen Eigenschaften des Verbunds. Mit der Verwendung von metallischen Gläsern anstatt von keramischen Materialien können gute Grenzflächeneigenschaften realisiert und gleichzeitig die herausragenden, mechanischen Eigenschaftender metallischen Gläser, wie hohe Festigkeiten, genutzt werden. Zielsetzung dieses Projektes war es, ein grundlegendes Materialverständnis dieser Verbundwerkstoffe zu erlangen. Als Verbundkomponenten wurden unterschiedliche Siebgrößen des metallischen Glases Ni60Nb20Ta20 (Tx = 723 °C als Verstärkung und die Aluminiumgusslegierung AlSi12 als Matrixmaterial verwendet. Die Herstellung der Verbunde erfolgte in einem mehrstufigen Prozess mit umfangreicher Schutzgasspülung, um eine Oxidation und eine daraus folgende Kristallisation des metallischen Glases zu vermeiden. Die werkstoffkundliche und strukturelle Untersuchung der Verbunde erfolgte mittels Licht- und Rasterelektronenmikroskopie sowie ergänzend mittels Computertomografie und transmissionselektronenmikroskopischer Methoden. Zur Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften wurden quasistatische Druck-, Zug- und Vierpunktbiegeversuche durchgeführt und zur Klärung der auftretenden Schädigungsmechanismen durch in-situ Druck- und Zugversuche im Rasterelektronenmikroskop ergänzt. Die Bestimmung der Steifigkeitskennwerte (E-Modul, Querkontraktionszahl) erfolgte mittels Ultraschallphasenspektroskopie (UPS). Die Verbunde weisen ein homogenes Gefüge mit geringer Mikroporosität auf. Aufgrund der hohen Aspektverhältnisse insbesondere der großen Plättchen entsteht in den Verbunden eine geschichtete Struktur die zu anisotropen Materialeigenschaften und Schädigungsverhalten führt. Diese Anisotropie wird insbesondere beim thermischen Ausdehnungsverhalten der Verbunde mit den großen Plättchengrößen (Siebgröße 200-600 µm und 600-2000 µm) beobachtet. So übersteigen die thermischen Ausdehnungskoeffizienten dieser Verbunde senkrecht zu Plättchenorientierung sogar den der unverstärkten Matrix. Entlang der Plättchenorientierung dagegen nähern sie sich dem Ausdehnungskoeffizient des metallischen Glases an. Bei den mechanischen Eigenschaften äußert sich die Plättchenorientierung in geringfügig höheren E-Modulen und Druckfestigkeiten entlang der Plättchenorientierung als senkrecht dazu. Unter Druck entsteht bei Belastung entlang der Plättchenorientierung weiterhin eine Schädigung in Form von lokalisierter plastischer Verformung in einem Schubband im Verbund, das begleitet wird von Plättchenknicken. Senkrecht zur Plättchenorientierung sowie bei Zugbelastung der Verbunde wird dagegen multiple Rissbildung im metallischen Glas beobachtet. Vierpunktbiegeversuche und Zugversuche entlang der Plättchenorientierung zeigen insbesondere für die großen Plättchen (Siebgröße 200-600 µm und 600-2000 µm) deutlich verbesserte Festigkeiten im Vergleich zur unverstärkten Matrix. Bei den Vierpunktbiegeversuchen sind diese erhöhten Festigkeiten auf eine Behinderung der Rissausbreitung durch die Matrix durch die großen Glaspartikel zurückzuführen. Ein hohes Maß an Vorschädigung in den kleineren Partikeln durch die Partikelherstellung mittels Kugelmahlen führt zu einer weiteren Schwächung des Materials. Die höheren Zugfestigkeiten der Verbunde mit großen Partikeln sind auf eine bessere Lastaufnahme der Partikel durch direkte Verstärkungswirkung zurückzuführen. Es ist davon auszugehen, dass die kleineren Partikel quasi unterhalb der „kritischen Faserlänge“ liegen und deshalb weniger Verstärkungswirkung zeigen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2015): Innovative aluminum based metallic glass particle reinforced MMCs produced by gas pressure infiltration. In: Materials Science Forum (825-826), S. 101-108
Lichtenberg, K.; Weidenmann, K.A.
(Siehe online unter https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.825-826.101) - Discussion of the evolution of micro cracks by characterization and modeling of metal matrix composites reinforced by metallic glass particles. Proceedings of the 20th International Conference on Composite Materials, Copenhagen, Denmark, 19-24th July 2015
Schulz, K.; Lichtenberg, K.; Weidenmann, K.A.
- Aluminum based MMCs with Metallic Glass Particle Reinforcement made by Liquid Metal Infiltration – In-situ Investigations on Damage Mechanisms. 11th International Conference on Bulk Metallic Glasses, St. Louis, USA, 05-09 June 2016
Lichtenberg, K., Weidenmann, K.A.
- (2017): Effect of reinforcement size and orientation on the thermal expansion behavior of metallic glass reinforced metal matrix composites produced by gas pressure infiltration. In: Thermochimica Acta (654), S. 85-92
Lichtenberg, K.; Weidenmann, K.A.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.tca.2017.05.010) - (2017): Influence of heat treatment on the properties of AlSi10Mg-based metal matrix composites reinforced with metallic glass flakes processed by gas pressure infiltration. In: Journal of Composites Materials
Lichtenberg, K.; Orsolani-Uhlig, E.; Roessler, R.; Weidenmann, K.A.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1177/0021998317699867) - (2017): Mechanical properties of AlSi12-based metal matrix composites with layered metallic glass ribbons. In: Key Engineering Materials (742), S. 181-188
Lichtenberg, K.; Weidenmann, K.A.
(Siehe online unter https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.742.181) - Gas-pressure infiltrated Al-based MMC with Ni60Nb20Ta20 metallic glass: Characterization by Analytical Transmission Electron Microscopy. 16th International Conference on Rapidly Quenched and Metastable Materials, Leoben, Austria, 27th August -1st September 2017
Szabó, D.V.; Lichtenberg, K.; Schlabach, S.; Weidenmann, K.A.
