Herstellung anwendungsspezifischer Bauteile aus partikelverstärkten Aluminium-Matrix-Verbundwerkstoffen mittels der Kombination aus Pulverpressen und Thixo-Schmieden

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Mathias Liewald
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 447676980

Aluminiumwerkstoffe können durch das Einbringen von partikelförmigen Hartstoffen (z.B. Silizium, Oxide, Karbide) bezüglich ihrer Härte, ihres E-Moduls und ihrer Festigkeit verbessert bzw. modifiziert werden. Zudem können solche Aluminium Matrix Composites (AMC) eine gesteigerte thermische Stabilität und/oder Verschleißbeständigkeit im Vergleich zu monolithischen Werkstoffen aufweisen. Potenzielle Anwendungen für solche partikelverstärkten AMC sind Bauteile mit besonders anwendungsspezifischen Anforderungen wie z. B. innenbelüftete Bremsscheiben und Bremssättel. Die Herstellung solcher Bauteile, insbesondere solcher mit besonders hohen Partikelanteilen von über 30 vol.%, ist jedoch aufgrund der herausfordernden Umform- und Fließeigenschaften der AMC heute nur begrenzt mit konventionellen pulver- oder schmelzmetallurgischen Verfahren möglich. Die wissenschaftliche Zielsetzung des Forschungsvorhabens besteht daher in der Entwicklung einer Prozessroute zur Herstellung anwendungsspezifischer AMC-Komponenten mit besonders hohen Partikelanteilen sowie in der Ermittlung der erzielbaren Werkstoffeigenschaften. Der hierbei verfolgte Lösungsansatz besteht in der Kombination des Pulverpressens mit dem Thixo-Schmieden. Durch diese Verfahrenskombination soll es möglich werden, komplexe Bauteile mit variierenden Wanddicken aus AMC-Grünlingen mit unterschiedlichen Partikelanteilen (max. 50vol.-% SiC-Partikel) zu erzeugen und so Bauteile mit gezielt einstellbaren, anwendungsspezifischen Eigenschaften endkonturnah herzustellen. In der ersten Förderperiode konnte bereits erfolgreich die Eignung der Prozessroute zur Herstellung von Bauteilen mit bis zu 50vol.% SiC nachgewiesen werden, wobei eine signifikante Steigerung der Härte und eine erhebliche Reduktion der Wärmedehnung erzielt wurden. Demgegenüber kam es allerdings zu einer Verringerung der Duktilität und Zugfestigkeit der erzeigten Komponenten. Im Rahmen der numerischen und experimentellen Forschungsarbeiten der zweiten Förderperiode soll daher das Prozessverständnis hinsichtlich eines variierenden Größenverhältnisses zwischen den verwendeten Al- und SiC-Partikeln vertieft werden, da diese Materialparameter einen wesentlichen Einfluss auf die erzielbare Prozess- und Bauteilqualität zeigten. Zudem werden die Fertigungsschritte der entwickelten Prozessroute derart erweitert, dass Bauteile mit gradierter Verteilung der Verstärkungspartikel erzeugt werden können. Auf diese Weise sollen die durch die Partikelverstärkung entstehenden Vorteile (hohe Härte, geringe Wärmedehnung) und Nachteile (geringe Duktilität und Zugfestigkeit) gezielt an bauteilspezifische Anforderungen angepasst werden können. Abschließend soll das tribologische Verhalten der gradierten AMC-Bauteile spezifiziert werden, um deren Anwendungspotentiale aufzuzeigen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen