Entwicklung einer warmrissbeständigen AlCu-Gusslegierung für den Einsatz in thermisch belasteten Bauteilen unter Anwendung von DoE

Kröger, Franziska GND

Ressourcenschonende, effiziente Entwicklungen, Konstruktionen und Prozesse stehen im heutigen Maschinenbau aufgrund von umweltbedingten, politischen, wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Anforderungen im Vordergrund. Ein anforderungsgerechter Leichtbau und endkonturnahe Herstellungsprozesse sind Bausteine, die effektiv dazu beitragen. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass es unter Einsatz der statistischen Versuchsplanung möglich ist, mehrere Zielgrößen simultan zu adressieren und dadurch eine zeit- und ressourceneffiziente Werkstoffentwicklung zu betreiben. In Vorbereitung auf die Legierungsentwicklung wurden thermodynamische Berechnungen, eine ausführliche Literauturrecherche und praktische Untersuchungen an konventionellen AlCu-Gusslegierungen durchgeführt. Unter Berücksichtigung der daraus gewonnenen Erkenntnisse wurde für die Aufstellung eines statistischen Versuchsplans ein interaktionsbasiertes Regressionsmodell zugrunde gelegt, in dem die vier Legierungselemente Kupfer (Cu), Mangan (Mn), Nickel (Ni) und Kobalt (Co) als Eingangsgrößen variiert wurden. Zudem wurde ein Titangehalt von 0,05 Gew.-% für alle Legierungen festgelegt, um den wachstumshemmenden Effekt des Titans zusammen mit dem Kornfeinungsmittel AlTi5B1 für die Kornfeinung zu nutzen. Entsprechend der Anforderungen an den Werkstoff wurden die mechanischen Eigenschaften bis 300 °C, die Warmrissbeständigkeit sowie die Wärmeleitfähigkeit als Zielgrößen formuliert. Insgesamt achtzehn AlCuMnCo(Ni)-Legierungen wurden erprobt und analysiert. Basierend auf den zuvor ermittelten Referenzwerten wurde anschließend aus dem Modell eine optimale Zusammensetzung AlCu6.7Mn0.5Co0.1 identifiziert, für die höchste mechanische Eigenschaften bei 250 °C, eine Warmrisszahl < 1,0 sowie ein Phasenanteil < 8 % vorhergesagt wurde. Die Versuchsergebnisse bestätigten die hohe Modellqualität für die mechanischen Eigenschaften und den Phasenanteil, zeigte aber auch, dass die Modellqualität für die Warmrisszahl nicht ausreichend war: die vorhergesagte Warmrisszahl wurde in den Versuchen nicht erreicht. Der niedrige Phasenanteil hingegen führte zu einer hohen Wärmeleitfähigkeit der Legierung. Im Vergleich zur Referenzlegierung AlCuNiCoSbZr, die unter den konventionellen Legierungen die höchste Warmfestigkeit bei 300 °C gezeigt hatte, weist das Optimum AlCu6.7Mn0.5Co0.1 überwiegend höhere Eigenschaften auf. Die mechanischen Eigenschaften bis einschließlich 250 °C und die Wärmeleitfähigkeit fallen beim Optimum höher aus als bei der AlCuNiCoSbZr und die Warmrissneigung ist mit 1,58 gleich.

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Kröger, Franziska: Entwicklung einer warmrissbeständigen AlCu-Gusslegierung für den Einsatz in thermisch belasteten Bauteilen unter Anwendung von DoE. Clausthal-Zellerfeld 2021. TU Clausthal.

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