Trotz des vielversprechenden Potenzials von Kohlenstofffasern für die Verstärkung von Aluminium aufgrund ihrer exzellenten mechanischen Eigenschaften, ihrer Hochtemperaturstabilität sowie der geringen Herstellungskosten im Vergleich zu keramischen Fasern stellt insbesondere die Verträglichkeit an der Grenzfläche Kohlenstoff/Aluminium immer noch eine technische Herausforderung dar. Zum einen können sich Aluminiumkarbide als Reaktionsprodukte während der Herstellung an der Faser-Matrix-Grenzfläche bilden und ausscheiden, die die mechanischen Eigenschaften des Materials beeinträchtigen und Risiken hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit gegenüber wässrigen Medien schaffen. Zum anderen ist die Benetzung unbehandelter Kohlenstofffasern durch die Aluminiumschmelze sehr begrenzt, was negative Auswirkungen auf die Infiltration der textilen Strukturen und Faserstränge beim Herstellungsprozess hat.
In der vorliegenden Arbeit wird vor diesem Hintergrund die Entwicklung von kosteneffizienten Faserbeschichtungen mit keramischen Dünnschichten über Flüssigphasenprozesse sowie die Optimierung des Verdichtungsvorgangs bei der MMC-Herstellung von AlSi-Legierungen im teilflüssigen Zustand betrachtet. Die im Bereich der Fertigung von modernen Massivkeramiken bereits nachgewiesene Eignung des Spark-Plasma-Sinter-Verfahrens (SPS) wird hier erstmals zur Konsolidierung endlosfaserverstärkter Leichtmetalle eingesetzt und untersucht. Die Studie beinhaltet die Werkstoff- und Verfahrensentwicklung über die gesamte Fertigungsprozesskette, die Herstellung und Charakterisierung von faserverstärkten Leichtmetallen mit erhöhten spezifischen mechanischen Eigenschaften und die Untersuchung von schadenstoleranten Versagensmechanismen mit Blick auf unterschiedliche neue Anwendungen.
Aktualisiert: 2020-07-23
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Die Arbeit thematisiert die Fertigungstechnologie partikel- und kurzfaserverstärkter Leichtmetalle mit isotropen/quasi-isotropen Eigenschaften über eine kombinierte Prozesskette aus Thermischen Spritzverfahren zur Halbzeugherstellung und Thixoformgebungsverfahren, d. h. Formgebung im teilflüssigen Zustand, zur Verdichtung und Bauteilformgebung. Dabei werden ausschließlich Aluminiumlegierungen als Matrixwerkstoffe betrachtet; als Verstärkungsphasen werden partikelförmige SiC- und Al2O3-Keramiken sowie Kohlenstoffkurzfasern behandelt.
Schwerpunkt der Untersuchungen ist die Entwicklung der Fertigungstechnik für bolzenförmige (zylindrische) Halbzeuge durch Thermisches Spritzen, wobei hier das Lichtbogenspritzen verwendet wird. Insbesondere werden die Geometriekontrolle bei der Massivkörperabscheidung sowie die thermische Prozessoptimierung diskutiert. Als Grundlage wird die Prozessanalyse des Lichtbogenspritzens mit Massiv- und Fülldrähten vertieft behandelt. Diese umfasst Ergebnisse anhand von Legierungsversuchen mit Fülldrähten, Beobachtungen der Drahtenden und des Zerstäubungsprozesses durch Laser-Illumination sowie die Messung von Spritzteilcheneigenschaften durch In-Flight-Partikeldiagnostik.
Ergänzende experimentelle Ergebnisse zur Charakterisierung von Legierungen für die Thixoformgebung und zur Konsolidierung und Formgebung thermisch gespritzter Halbzeuge durch Thixogießen, Thixoquerfließpressen und Thixoschmieden runden die Beschreibung der vollständigen Prozesskette ab. Die hergestellten Proben werden durch mechanische und tribologische Prüfung charakterisiert, was zu einem Ausblick auf das Potential der beschriebenen Prozessroute und der resultierenden Metallmatrix-Verbundwerkstoffe führt.
Aktualisiert: 2019-12-12
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