Multiskalige Charakterisierung der Wechselwirkungen zwischen Mikrostruktur und Geometrie zur gezielten Anpassung der Eigenschaften offenzelliger Schäume aus Aluminiumlegierungen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Andreas Bührig-Polaczek; Professorin Dr.-Ing. Claudia Fleck
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 434241711

Metallische Schwämme sind vielversprechende Kandidaten für Anwendungen im Bereich der Energieabsorption und des Leichtbaus. Vom Mikrometer- bis zum cm-Maßstab sind Phasen, Stege und Zellen die jeweiligen hierarchischen Strukturelemente. Deshalb bestimmen der Basiswerkstoff und seine Mikrostruktur, z.B. die Form und Menge an Zweitphasen, sowie Geometrie, Topologie und Größe von Stegen und Zellen die mechanischen Eigenschaften. Dabei spielen Größeneffekte sowohl bei der Erstarrung als auch bei den mechanischen Eigenschaften eine entscheidende Rolle. Die Kontrolle dieser Variablen ist die Grundvoraussetzung für die Entwicklung eines Metallschaums mit definierten quasi-statischen und dynamischen Eigenschaften. Unser Ziel ist die Modifikation der hierarchischen strukturellen Elemente und ihrer Wechselwirkungen unter Berücksichtigung metallurgischer und geometrischer Aspekte. Das wissenschaftliche Ziel ist das Verständnis der Mechanismen auf den verschiedenen Längenskalen, wie diese zwischen den hierarchischen strukturellen Elementen wechselwirken und deren Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften am Beispiel offenporiger Schäume aus Al- Legierungen. Die Mikrostruktur der mm-großen Stege wird durch Anpassung der Legierungszusammensetzung, des Gehalts an modifizierenden Elementen und durch Wärmebehandlung eingestellt. Hierbei werden Größen- und Geometrieeffekte von Ausscheidungen sowie des Dendritenarmabstands berücksichtigt. Die Steggeometrie, -länge und -dicke werden variiert, um die Steifigkeit der Stege zu verändern, und die Zelltopologie der Schwämme wird durch Einfügen geschlossener Zellwände oder zusätzlicher Stege modifiziert. Die Metallschwämme werden hauptsächlich durch ein modifiziertes Blockformverfahren hergestellt, auf Basis geschäumter Polyurethan- oder additiv gefertigter Wachsmodelle. Ergänzend werden metallische, offenporige additiv gefertigte Schäume sowie zugekaufte gesinterte offenporige und geschlossenporige Schäume untersucht. Die Mikrostruktur und die Entwicklung der mechanisch induzierten Schädigung während Zug- oder Druckbeanspruchung werden mit Hilfe verschiedener hochauflösender 2D und 3D bildgebender Verfahren, z.B. SR-MikroCT, REM oder TEM, auf der Längenskala der Schwämme, Zellen und Stege beobachtet. Die Ergebnisse werden zum Verständnis beitragen, ob und inwieweit sich metallurgische und mechanistische Kenntnisse von Al-Legierungen auf die mm-großen Stege in offenporigen Al-Schwämmen und der Schwämme selbst übertragen lassen. Die Erkenntnisse werden in einem Modell zusammengefasst, das für offenporige Metallschäume die Gefüge-Eigenschaft-Beziehungen für eine zielgerichtete Einstellung des Verformungsverhaltens beschreibt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen