Production of powder metallurgy components with radially graded material system by means of segregation
Final Report Abstract
In dem durchgeführten Forschungsvorhaben wurde gezeigt, dass durch die Überlagerung einer vertikalen Vibration mit einer Rotation die Partikelverteilung einer binären Pulvermischung beeinflusst werden kann, was dazu genutzt wurde radial gradierte Werkstoffsysteme pulvermetallurgisch herzustellen. Das heißt, es wurden Mechanismen der granularen Dynamik mit der Pulvermetallurgie kombiniert, um zylindrische Proben bestehend aus Aluminum und Siliziumkarbid mit radial gradierter Verteilung herzustellen. Ein in diesem Zusammenhang wichtiges Phänomen ist der sogenannte Paranuss-Effekt. Dieser wird als vertikale Trennung eines granularen Werkstoffs unter einer vertikalen Vibration definiert, wobei die größeren Partikel dazu neigen, sich nach oben und die kleineren nach unten zu bewegen. Bei Verwendung einer binären Pulvermischung kann dieser Trend auch umgedreht werden, indem die Vibrationsparameter (Frequenz und Amplitude) und die Pulverzusammensetzung (Größen- und Dichteverhältnis) gezielt eingestellt werden. In der Regel ist bei einer derartigen schwingungsinduzierten Segregation (Entmischung) eines granularen Mediums die richtungsgebende Kraft die Schwerkraft. Wird die Vibration jedoch mit einer Rotationsbewegung überlagert, so kann diese Kraft durch eine Zentrifugalkraft überlagert werden, wodurch die Segregation schließlich radial erfolgen sollte. Aufbauend auf der beschriebenen Arbeitshypothese wurden in diesem Forschungsvorhaben Untersuchungen zum Segregationsverhalten der Werkstoffkombination Aluminium und Siliziumkarbid durchgeführt. Um diese Bewegungsüberlagerung umzusetzen, wurde ein Versuchsstand entwickelt, dessen Hauptkomponenten eine Vibrationssiebmaschine und ein Aufbau mit axial einstellbarer Pulverkavität und Servomotor bilden. Hierdurch war es möglich, den Einfluss unterschiedlicher material- und prozessspezifischer Parameter auf die Pulverentmischung zu untersuchen. Parallel dazu wurde eine DEM-Simulation aufgebaut und der vereinfachte Prozess numerisch nachgebildet, was für die Wahl der experimentellen Parameter genutzt wurde. Zur Herstellung der Proben und Auswertung der experimentellen Ergebnisse wurden Methoden der statischen Versuchsplanung angewandt, um so die Haupteinflussfaktoren zu identifizieren. Die Konsolidierung der Mischungen mit eingestelltem Gradient erfolgte mittels Pressen und Sintern. In umfänglichen Sinteruntersuchungen, zeigte sich, dass auf die Beimengung von sinterfördernden Elementen (Mg und Cu) nicht verzichtet werden kann. Folglich wurden die finalen Pulvermischungen entsprechend präpariert, wobei darauf geachtet wurde die definierten unterschiedlichen Teilichengrößenverhältnisse einzuhalten. Die Auswertung des statistischen Versuchsplans zeigte, dass die Vibrationsamplitude, die Drehzahl und das Partikelgrößenverhältnis den größten Einfluss auf eine Veränderung des Gradienten haben. Die Vibrationsamplitude hat nach der Wechselwirkung der drei genannten Größen den größten Effekt, wobei sich durch die Variation sowohl positive (mehr SiC im Kern) als auch negative (mehr SiC im Randbereich) Gradienten einstellen ließen. Bei Drehhzahlen von ≤ 700 min^-1 wurden vemehrt hohen Streuungen im Hinblick auf positive und negative Gradienten beobachtet, was durch eine Annäherung von Zentrifugal- und Gravitationsbeschleunigung erklärt werden kann. Um den Einfluss der Gravitationsbeschleunigung also möglichst gering zu halten, sollte daher entweder der Durchmesser der Pulverkavität oder die Drehzahl erhöht werden. Beim Partikelgrößenverhältnis konnte entgegen den Erwartungen beim größten Verhältnis keine Entmischung beobachtet werden. Dies spricht entweder dafür, dass ein Optimum existiert oder dass bei einer Unterschreitung einer bestimmten Partikelgröße andere Effekte (z. B. Bildung von Agglomeration durch Van-der-Waals-Kräfte oder elektrostatische Anziehungskräfte) zum Tragen kommen, wodurch eine makroskopische Trennung verhindert wird. Ferner wurde festgestellt, dass eine Mindestgröße für den Axialspalt in der Pulverkavität erforderlich ist, um überhaupt die Relativbewegungen der Teilchen zu erlauben. Eine weitere Vergrößerung war allerdings nicht mehr signifikant. Aufbauend auf den Ergebnissen des statischen Versuchsplans wurden weitere unterschiedliche Parameterkombinationen untersucht, wobei eine Kombination aus hoher Amplitude und Drehzahl bei einem Teilchengrößenverhältnis von 2,1 zum gewünschten radialen Gradienten mit von innen nach außen ansteigendem SiC-Anteil führte. Zusammenfassend wurden sowohl das Hauptziel als auch die formulieren Teilziele des Forschungsvorhabens, wie die Charakterisierung der Pulver, die Entwicklung eines Segregationsversuchsstands, die numerische Simulation des Entmischungsprozesses sowie das Pressen und Sintern der hergestellten Proben erreicht. Für zukünftige Untersuchungen wäre die Verwendung von Pulvermischungen mit ausgeprägterem Dichteverhältnis zielführend (hier 1,19), da dadurch mit deutlich stärkeren Entmischungseffekten zu rechnen ist. Zusätzlich wäre die Übertragung auf eine Geometrie mit größerem Durchmesser sinnvoll, um die Beeinträchtigung durch die Gravitationsbeschleunigung zu minimieren. Außerdem scheint die Vibrationsfrequenz bei der Segregation nach einschlägiger Literatur ebenfalls signifikant zu sein. Diese konnte im vorliegenden Vorhaben allerdings nicht separiert untersucht werden (gekoppelt an Amplitude), was ebenfalls in zukünftigen Untersuchungen addressiert werden sollte. Um potentielle Anwendungsmöglichkeiten für die hergestellten gradierten Werkstoffsysteme zu identifizieren, sollte außerdem ein starker Fokus auf die Untersuchung der erreichten technologischen Eigenschaften gelegt werden.
Publications
- (2016): Functionally graded MMC-materials by segregation, Materials Science and Engineering 2016 (MSE), September 27th to 29th, 2016, Darmstadt, Germany
Behrens, B.-A.; Bohr, D.; Brunotte, K.
- (2018): Manufacturing of functionally graded metal matrix composite materials by segregation, International Journal of Materials Research (formerly Zeitschrift für Metallkunde) 109(5), pp 373–380
Behrens, B.-A.; Bohr, D.
(See online at https://doi.org/10.3139/146.111619) - (2018): Powder Metallurgical Components with Radially Graded Material System by Segregation, Hybrid Material and Structures, 18.–19. April 2018, Bremen, Deutschland
Behrens, B.-A.; Bohr, D.; Brunotte, K.
