Process chains for co-extrusion and heat treatment of asymmetrical compounds made of alumini-um and titanium
Final Report Abstract
Die Zielsetzung des Projektes war es, eine Prozesskette zur Fertigung von asymmetrischen Verbundprofilen aus Aluminium und Titan mit durchgehenden und festhaftenden Verstärkungselementen aus Titan einschließlich der dafür notwendigen werkstoff- und fertigungstechnischen Zusammenhänge zu erarbeiten. Daraus ergaben sich zwei zu bearbeitende Teilziele, zum einen die Herstellung des Werkstoffverbundes mit dem entwickelten Strangpressverfahren und zum anderen die gezielte Einstellung der Verbindungszone und -eigenschaften durch eine Wärmebehandlung. Um die Zuführung langer biegesteifer Titan-Verstärkungselemente zu realisieren, wurde das neuartige LACE-Verfahren (Lateral Angular Co-Extrusion) entwickelt. Das Verfahren ermöglicht die Herstellung eines Werkstoffverbundes bestehend aus Aluminium und Titan als Fügepartner mit beliebiger Volumenverteilung von Matrixmaterial und Verstärkungselement. Zu diesem Zweck wurde eine Matrize mit seitlicher Zuführung für flache Verstärkungselemente konstruiert. Das Werkzeug ist so ausgelegt, dass das Titanelement etwa senkrecht zum Presskanal dem Aluminium zugeführt wird, wobei das Titanelement nicht umgeformt wird. Durch den modularen Aufbau konnte Einfluss auf den Materialfluss und das Pressverhältnis genommen werden. Der Materialfluss wird durch unterschiedliche Winkel des Einlaufkeils 45° und 90° und das Pressverhältnis durch die Gesamtprofildicke von 42 mm und 72 mm variiert. Das Aluminium wird seitlich auf das Titan gepresst und verbindet sich aufgrund von zwei verschiedenen Prozessen mit dem Titanelement: Zunächst erfolgt eine mechanische Verklammerung, anschließend bildet sich eine stoffschlüssige Verbindung. Die nachgeschaltete Wärmebehandlung zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Werkstoffverbunde wurde hinsichtlich der Parameter Lösungsglühdauer sowie Auslagerungstemperatur und -dauer untersucht. Die mechanisch-technologischen Eigenschaften der gefügten und wärmebehandelten Werkstoffverbunde wurden über die Verbundfestigkeit charakterisiert. Die Verbundfestigkeiten der Al-Ti-Werkstoffverbunde der Werkstoffkombination AlSi1MgMn – Ti99,2 betrugen nach dem Pressen 90 MPa und konnten durch ein Lösungsglühen, Abschrecken und eine Kaltauslagerung auf bis zu 160 MPa und durch eine Warmauslagerung auf bis zu 190 MPa gesteigert werden. Die stranggepressten Werkstoffverbunde der Werkstoffkombination aus unlegierten Ti99,2 und Al99,5 wiesen Festigkeiten von ca. 50 MPa auf. Die Verbundfestigkeiten der unlegierten Aluminiumkomponenten konnten nicht durch eine thermische Nachbehandlung gesteigert werden. Der Anstieg der Verbundfestigkeit geht mit einer Verlagerung des Versagensortes einher. Liegt dieser im gepressten Zustand innerhalb der Verbundzone, findet er sich nach dem Glühen bei 540 °C stets im Bereich der Aluminiumkomponente Al99,5. Die Verbundzonen wuchsen mit zunehmender Lösungsglühdauer in Abhängigkeit von der Komponentenkombination. Der stranggepresste Werkstoffverbund Ti99,2 und AlSi1MgMn wies die größte Wachstumsgeschwindigkeit der Verbundzone auf, der stranggepresste Werkstoffverbund aus Ti99,2 und Al99,5 die langsamste. Die Schichten wuchsen stets linear bzw. grenzflächenkontrolliert. Ergänzend wurden die Werkstoffverbunde metallographisch charakterisiert und die Schichtdicken der Verbundzonen wurden rasterelektronenmikroskopisch gemessen. Die Schichtzusammensetzung wurde mittels Elektronenstrahlmikroanalyse bestimmt. Durch die Wärmebehandlung wurde eine Diffusion des Siliziums aus der Aluminiumkomponente in die Verbundzone festgestellt und dessen Anreicherung in unterschiedlichen Konzentrationen in der Verbundzone. Durch das Projekt konnte ein neuartiges Strangpressverfahren mit dem Namen LACE (Lateral Angular Co-Extrusion) entwickelt werden. Durch eine, dem Prozess angepasste, Matrize können die Titan-Verstärkungselemente seitlich zugeführt werden. Das Verfahren ermöglicht die Herstellung von stoffschlüssigen Werkstoffverbunden aus Aluminium und Titan. Es konnte gezeigt werden, dass sich die Verbundfestigkeiten von Werkstoffverbunden aus legierten Werkstoffpaarungen durch eine nachgeschaltete Wärmebehandlung steigern lassen.
Publications
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Characterization of the interface of co-extruded asymmetric aluminum-titanium composite profiles. Materials Science and Engineering Technology 45 (2014) 12, S. 1054- 1060
Grittner, N.; Striewe, B.; von Hehl, A.; Engelhardt, M.; Klose, C.; Nürnberger, F.
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Heat treatment of aluminum-titanium-compounds made by co-extrusion and friction welding. 14th International Conference on Aluminium Alloys, Trondheim, Norway, 15-19 June 2014
B. Striewe, A. von Hehl, N. Grittner, M. Schaper, F. Nürnberger
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Heat treatment of aluminum-titanium-compounds made by co-extrusion and friction welding. Materials Science Forum Vols. 794-796 (2014) S. 839-844
Striewe, B.; von Hehl, A.; Grittner, N.; Schaper, M.; Nürnberger, F.
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Heat Treatment of Titanium-Aluminum-Compounds Made by Co-Extrusion of Asymmetric Compound Profiles. 7th Light Metals Technology Conference, Port Elizabeth, Südafrika, 27-29 July 2015
B. Striewe, N. Grittner, A. von Hehl and F. Nürnberger
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Heat treatment of titaniumaluminum-compounds made by co-extrusion of asymmetric compound profiles. Materials Science Forum, Vols. 828-829 (2015) S. 206-211
Striewe, B.; Grittner, N.; von Hehl, A.; Nürnberger F.
