Verbundstrahlen - ein neues Verfahren zur Herstellung von gradiert verstärkten Aluminiummatrixverbundwerkstoffen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Kay A. Weidenmann
• Fachliche Zuordnung: Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren ; Beschichtungs- und Oberflächentechnik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 290845127

• Erstellungsjahr: 2020

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Mit dem Verbundstrahlen konnten im Rahmen dieser Arbeit keramische Strahlpartikel bis zu 40 µm in Probekörper aus Aluminiumlegierungen eingebracht werden. Die Eindringtiefe ist dabei von mehreren Faktoren abhängig. Ein geringer Widerstand gegen Eindringen durch die Erweichung des Grundmaterials bei hohen homologen Temperaturen ist genauso entscheidend wie die kinetische Energie der Strahlpartikel. Weiterhin beeinflusst die Form der Strahlpartikel das Eindringverhalten. Modelle aus den Bereichen des Strahlverschleißes und der Ballistik können die Eindringtiefe für das Verbundstrahlen qualitativ stückweise abbilden. Bei niedrigeren Temperaturen und Geschwindigkeiten erklären die Modelle aus dem Bereich des Strahlverschleißes durch die Annahme eines elastisch-plastischen Materialmodells die Eindringtiefe am besten. Der Wechsel zu hohen homologen Temperaturen und demnach geringeren mechanischen Kennwerten des Strahlguts führt dazu, dass sich das Grundmaterial beim Aufprall wie ein Fluid verhält. Folglich führt die Beschreibung der Eindringtiefe über einen dynamischen Kavitäts-Expansions-Ansatz zu besser übereinstimmenden Werten. Der vielfache Aufprall der Strahlpartikel auf der Aluminiumoberfläche hinterlässt eine Hügel-Tal-Struktur, wie sie auch oft bei Strahlverschleißuntersuchungen dokumentiert ist. Nanoskalige Fragmente der Keramikpartikel befinden sich vor allem in den Tälern. Zwischen den Fragmenten der Al2O3-Partikel konnte keine metallische Phase gefunden werden, die die Integrität der Struktur erklären würde. Vielmehr scheint eine Art Kaltverschweißung, hervorgerufen durch die massive plastische Verformung der Keramikpartikel, vorzuliegen. Durch die Nachbehandlung „Festwalzen“ konnte die durch das Verbundstrahlen raue Oberfläche eingeebnet werden. Die ehemaligen Hügel werden über die Täler geschoben, welche als vergleichsweise schmale Gräben an der Oberfläche verbleiben. Der Einfluss der Keramikschicht auf die mechanischen Kennwerte stellt sich als gering heraus. Im Fall der technisch reinen Legierung konnte eine geringfügige Steigerung der Dehngrenze beobachtet werden. Die Eigenschaften der Legierung EN AW-6082 konnten auch bei hohen Temperaturen nicht verbessert werden. Die Schwingfestigkeit nimmt durch die rauere Oberfläche und die eingebrachten Keramikpartikel leicht ab. Das größte Potential hinsichtlich eines Einsatzgebiets stellt zweifelsohne die gesteigerte Verschleißbeständigkeit der verbundgestrahlten Oberfläche dar. Für den Fall, dass der Abrieb des Gegenkörpers zweitrangig ist oder eine ähnliche Abrasionsbeständigkeit wie die Keramikpartikel besitzt, ist eine deutliche Verschleißreduzierung bei einem weichen Grundmaterial wie Aluminium denkbar.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Composite Peening - A Novel Processing Technology for Graded Reinforced Aluminium Matrix Composites. In: Key Engineering Materials 742 (2017), S. 137–144
  Seitz, M.; Reeb, A.; Klumpp, A.; Weidenmann, K. A.
  
• Influence of the Process Parameters on the Penetration Depth of the Reinforcing Phase during Composite Peening for the Production of Functionally Graded Metal Matrix Composites. In: Key Engineering Materials 809 (2019), S. 73–78
  Seitz, M.; Weidenmann, K. A.
  
• Characterization of the Microstructure After Composite Peening of Aluminum. In: Advanced Engineering Materials (2020)
  Seitz, M.; Dürrschnabel, M.; Kauffmann, A.; Kurpiers, C.; Greiner, C.; Weidenmann, K. A.
  
• Composite Peening – Embedment of Ceramic Blasting Particles in a Metal Matrix. In: Metal Finishing News 21 (2020), Nr.1, S.58-59
  Seitz, M.
  
• Mechanical Investigations on Composite Peened Aluminium. In: Itoh, S. (Hrsg.); Shukla, S. (Hrsg.): Advanced Surface Enhancement. Singapore: Springer Singapore, 2020, S. 10–18
  Seitz, M.; Weidenmann, K. A.
  
• Preparation Methods for Electron-Scanning and Light-Microscopic Analysis of Composite Peened Aluminium-Alumina Particle Composites. In: Practical Metallography 57 (2020), Nr. 8, S. 536–544
  Seitz, M.; Karch, L.; Weidenmann, K. A.