Schmelzmetallurgisch hergestellte, interpenetrierende Verbunde basierend auf metallischem Glas – Herstellung, Charakterisierung und Modellierung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Kay A. Weidenmann
• Fachliche Zuordnung: Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 409809887

Metallmatrixverbunde (MMCs) mit Verstärkungen aus metallischem Glas besitzen ein großes Potential hinsichtlich des spezifisch elastischen Energieabsorptionsvermögens, der Härte und der Festigkeit. Nachteilig bei der Verwendung von metallischem Glas sind jedoch die Sprödbruchanfälligkeit und die geringe Zähigkeit. Diesbezüglich konnte bereits das Potential von metallischen Glasschäumen gezeigt werden, da es hier aufgrund des Kollabierens der Stege unter Druckbeanspruchung zu einer deutlichen Anhebung der Plastizität kommt. Metallische Glasschäume konnten bereits in der Vergangenheit erfolgreich hergestellt werden, die Zusammenführung eines metallischen Glasschaumes mit einer Metallmatrix zu einem MMC ist allerdings bisher nicht erfolgt. Ziel des Vorhabens ist daher die Erforschung von MMCs mit einer 3-dimensionalen Durchdringungsstruktur aus metallischem Glas. Durch eine erfolgreiche Einbringung metallischer Gläser in eine metallische Matrix kann eine gute Verstärkungswirkung erreicht werden. Aufgrund der Durchdringungsstruktur wird erwartet, dass durch eine lasttragende Funktion des metallischen Glases die mechanischen Eigenschaften des Verbundes im Vergleich zu konventionellen, 0- (Partikel) bzw. 1- und 2-dimensionalen (Bänder) Verstärkungen verbessert werden. Insbesondere unter Druckbeanspruchung können höhere mechanische Eigenschaften erreicht werden, da das Kollabieren der Schaumstege zu höherer Plastizität führt. Die in dem vorliegenden Antrag geplante metallische Glasschaumherstellung wird mittels Heißpressen von metallischem Glas- und Salz-Partikeln realisiert, wobei das Salz im nachfolgenden Prozessschritt ausgewaschen wird. Anschließend wird der so hergestellte, offenporige metallische Glasschaum mittels Gasdruckinfiltration mit Aluminium infiltriert. Vorarbeiten des Antragstellers haben gezeigt, dass das nickelbasierte metallische Glas Ni60Nb20Ta20 mit 969 K eine relativ hohe Kristallisationstemperatur bei gleichzeitig sehr guter Glasbildungsneigung sowie hoher Härte und Festigkeit besitzt. Die Kristallisationstemperatur ist damit deutlich höher als die Schmelztemperatur der eutektischen Aluminiumlegierung AlSi12, was eine schmelzmetallurgische Herstellung eines MMCs auf Basis des oben beschriebenen Schaumes aus Ni60Nb20Ta20 ermöglicht. Bei der Infiltration sollen gezielt Prozessparameter variiert und mit Hilfe mechanischer und mikrostruktureller Charakterisierungsmethoden die Prozess-Gefüge-Eigenschafts-Beziehungen untersucht werden. Die verwendeten Methoden umfassen dabei neben der 2- und 3-dimensionalen Mikrostrukturanalyse die Bestimmung der elastischen Eigenschaften mittels Ultraschallphasenspektroskopie, mechanische Tests mit (in-situ) und ohne (ex-situ) gleichzeitiger Analyse des Schädigungsverhaltens, die Bestimmung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten, sowie die Auswirkung einer thermischen-mechanischen Belastung auf die Struktur und Eigenschaften des Verbundes.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen