Herstellung und Erforschung gradiert poröser Metalle durch Walzen im zeitlich veränderlichen Walzspalt
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im vorliegenden Forschungsprojekt stand die Erforschung des Grundlagenverständnis des Walzens poröser Metalle im Vordergrund. Motiviert wurden die Untersuchungen aufgrund der möglichen Anwendung poröser Materialien als lärmarme Tragflügelhinterkante. In einem vorherigen Projekt konnte die akustische Wirksamkeit gezeigt werden, welche sich durch einen angepassten Porositätsverlauf steigern ließ. Es wurde ein Walzverfahren mit zeitlich veränderlichem Walzspalt genutzt, um einen Gradienten in der Porosität (und damit in der Permeabilität) in Walzrichtung einzustellen. Es ergaben sich zwei überraschende Ergebnisse, die die Untersuchungen im vorliegenden Projekt motivierten und aufgeklärt werden konnten: Erstens zeigte sich, dass in Abhängigkeit der Walzparameter ein Porositätsgradient in Walzgutdickenrichtung erzeugt werden konnte (ohne Nutzung des zeitlich veränderlichen Walzspalts). Zweitens zeigte sich, dass die Längung einzelner Poren (teils nicht nachweisbar) weit hinter der makroskopischen Längung des Walzguts (ca. 20% bei 50% Dickenreduktion) zurückblieb. Zu Erstens wurde unter Berücksichtigung des Walzmodells für poröse Metalle von Deshpande die Arbeitshypothese entwickelt, dass der Porositätsgradient auf einen Gradienten in der hydrostatischen Spannung zurückzuführen ist, die im Modell für eine Volumenänderung verantwortlich ist. Der Gradient in der hydrostatischen Spannung könnte über eine Änderung der gedrückten Länge eingestellt werden. Durch einen Gutachtenden wurde zudem die Bedeutung von Scherdehnungen beim Walzen von Vollmaterial hervorgehoben, die den beobachteten Porositätsgradienten verursachen könnten. Die Versuchsmatrix wurde so gewählt, dass bei den Experimenten bezüglich der Scherdehnungen zwei Regime abgedeckt wurden. Diese wurden durch Seuren et al. definiert und unterscheiden sich in der Form des Verlaufs der Scherdehnungen über die Walzgutdicke. Anlagenseitige Grenzen machten den Nachweis erforderlich, dass die durchgeführten Experimente in beiden Regimen liegen. Dieser Nachweis konnte erbracht werden. Die experimentell mittels Computertomographie ermittelten Verläufe der Porosität deckten sich nicht konsistent mit den Verläufen der Scherdehnungen. Dadurch konnte gezeigt werden, dass diese nicht maßgeblich für die Verdichtung des porösen Materials verantwortlich sind. Die zuvor genannte Arbeitshypothese wurde durch die ermittelten Porositätsverläufe hingegen bestätigt. Zu Zweitens bestand die Arbeitshypothese darin, dass das Eindrücken von Stegen in Porenräume zur Verkleinerung der Poren führt. Dadurch bleibt die Porenlängung hinter der makroskopischen Walzgutlängung zurück. Das Eindrücken eines Stegs bzw. „Porendachs“ würde bevorzugt in der längsten Porenrichtung stattfinden. Diese Arbeitshypothese wurde mittels Walzexperimenten, hochauflösender Computertomographie und porenaufgelösten Simulationen untersucht und konnte durch die Experimente und die Simulationen bestätigt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Investigation of the Porosity Gradient in Thickness Direction Formed by Cold Rolling in Porous Aluminum. Metals, 13(4), 681.
Tychsen, Jörn & Rösler, Joachim
