Aluminium Verbundwerkstoffe (Composites)

Aluminium Verbundwerkstoffe zeichnen sich vor allem durch einen hohen E-Modul (Steifigkeit),  sowie durch gute Verschleissbeständigkeit aus. Aluminium-Composites können eine E-Modul bis zu 220 GPa aufweisen. Konventionelle Aluminiumlegierungen weisen einen E-Modul von ca. 70-80 GPa auf. Der E-Modul lässt sich vorwiegend durch die Zugabe von Legierungselementen, keramischen Partikeln oder Fasern beeinflussen.  

 

  1. Hochsiliziumhaltige-Aluminiumlegierungen

 

Diese werden vorwiegend durch Sprühkompaktieren, sowie Gasverdüsung hergestellt. Der Siliziumgehalt kann bis zu 70% betragen. Die extrem hochsiliziumhaltigen Legierungen finden vorwiegend in der Halbleiterindustrie Anwendung. Der Vorteil ist der wesentlich geringere Wärmeausdehnungskoeffizient, bei guter Wärmeleitfähigkeit.

Siliziumgehalte von bis zu 36% werden für technische Legierungen genutzt, beispielsweise Kolben, Zylinderlaufbuchsen oder andere, warmfeste Bauteile. Die technisch verwendeten Aluminium-Silizium-Legierungen weisen einen E-Modul von ca. 85-100 GPa auf.

Hochsiliziumhaltige Legierungen weisen eine gute Verschleissbeständigkeit auf. Die mechanische Bearbeitbarkeit ist gut im Vergleich zu herkömmlichen Aluminium-Silizium-Gußlegierungen.

 

  1. Partikelverstärkte Aluminiumlegierungen

 

Bei diesen Legierungen werden keramische Partikel wie Al2O3, SiC, TiB, TiC sowie AlN eingesetzt. Die Herstellung kann durch unterschiedliche Prozesse erfolgen: Sprühkompaktieren, Gasverdüsung, mechanisches Legieren, Infiltrieren einer keramischen Preform, Schmelzmetallurgisch, In-Situ, und andere.

Allen partikelverstärkten Aluminiumlegierungen, Aluminium-Metal-Matrix-Composites, ist gemein, ein höherer E-Modul, niedrigerer Wärmeausdehnungskoeffizient, bessere Verschleissbeständigkeit aber auch eine schwierigere mechanische Bearbeitbarkeit und niedrigere Dehnung. Die mechanische Bearbeitbarkeit variiert jedoch sehr stark, abhängig vom Partikelsystem und –Anteil. Die technisch verwendeten Aluminium-MMC´s weisen einen E-Modul von ca. 100-200 GPa auf.

 

Auf die Eigenschaften wird bei der jeweiligen Legierung näher eingegangen.

 

 

Herstellung mittels Schmelzinfiltration einer keramischen Preform

 

Dieser für technische Bauteile sehr wichtige Prozess wird besonders bei hohen Partikelkonzentrationen verwendet. Hierbei werden die keramischen Partikel mit einem Bindemittel versetzt und kalt-isostatisch gepresst. Diese sogenannten Grünlinge werden anschliessend gesintert. Hierbei wird das Bindemittel ausgegast, und die keramischen Partikel sind verbunden, jedoch offenporig. Dadurch kann das Metall in die Preform gepresst werden. Von Vorteil ist außerdem, dass die Preform eine gewisse Festigkeit aufweist und sich so besser handhaben lässt. Es lassen sich in gewissen Grenzen endkonturnahe Preformen herstellen. Der Partikelanteil liegt bei mindestens  ca. 30 bis zu 70%. Es können eine Reihe von Partikeln verwendet werden.

Die Preform wird anschliessend mit flüssigem Metall im sogenannten Squeeze-Casting Prozess, infiltriert. Dieser Prozess ist dem Druckguss sehr ähnlich und Industriell gut verfügbar. Information hierzu in Aluminium Warmfest von DSC-Materials.

 

Al-7SiC15

 

Aluminium Al-7SiC15 ist eine hochfeste Aluminium-MMC-Legierung. Die Legierung basiert auf der bekannten hochfesten A7075 mit 15% SiC Partikeln. Sie wird durch Sprühkompaktieren hergestellt. Die Legierung weist eine sehr hohe Festigkeit mit akzeptabler Dehnung auf. Der E-Modul beträgt ca. 100 GPa entsprechend dem SiC Partikelanteil. Hervorzuheben ist die Verfügbarkeit, auch für sehr große Komponenten bis zu 3 Meter Durchmesser.

 

A356-SiC15

 

A356-SiC15 ist eine warmfeste Aluminium-Silizium-Legierung, die zusätzlich 15% SiC enthält. Sie wird durch Sprühkompaktieren hergestellt. Die Festigkeiten liegen deutlich über der von herkömmlichen A356 (AlSi7Mg) Legierungen. Der E-Modul beträgt ca. 102 GPa entsprechend dem SiC Partikelanteil. Hervorzuheben ist die Verfügbarkeit auch für sehr große Komponenten bis zu 3 Meter Durchmesser.

 

Spray-Al-Composites
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Al-TIB55

 

Aluminium Al-TiB55 Aluminium eine hochfeste Aluminium-MMC-Legierung. Die Legierung basiert auf der bekannten hochfesten A2024 (Al-Cu-Mg1) mit 55% TiB Partikeln. Sie wird durch Infiltrieren einer Preform hergestellt. Diese Legierung weist eine sehr hohe Festigkeit von 640 MPa und außergewöhnlich hohen E-Modul auf. Der E-Modul beträgt 203 GPa und ist somit vergleichbar dem von Stahl bei weniger als der Hälfte der Dichte.

 

Aluminum-Al-TiB55
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