Entwicklung der Konnektivität der Phasen in einer kurzfaserverstärkten Aluminium-Kolbenlegierung unter Kriechbelastung

Abstract

Das drei-dimensionale Gefüge einer AlSi12CuMgNi-Kolbenlegierung verstärkt mit 15 vol% Al2O3-Kurzfasern wird mittels Synchrotron Mikro-Tomographie dargestellt. Der lösungsgeglühte Ausgangszustand enthält ein zusammenhängendes Netzwerk aus Kurzfasern und Fe- und Ni-reichen Primärausscheidungen, das darüber hinaus durch eine Vielzahl von Si-Brücken des Eutektikums verbunden wird. Die Konnektivität nimmt mit der Dauer der Kriechbelastung bei 300 °C zu, besonders durch die Reifung der Si-Teilchen, die zu einer in sich zusammenhängenden Struktur zusammenwachsen, die mit dem bereits vorhandenen Netzwerk mit den Fasern verbunden ist. Nach 6400 h Belastungsdauer ist die Konnektivität der steifen Phasen nahezu vollständig. Die Orientierung der Fasern wird mit drei-dimensionalen Fast Fourier Transformationen analysiert, was auf keine Umorientierung der Fasern in die Lastrichtung schließen lässt. Die früher beobachtete Verfestigung des Materials während der Kriechbelastung wird mit der zunehmenden Steifigkeit der hybriden Verstärkungsstruktur erklärt. Die Proben enthalten im Ausgangszustand bereits Poren an den Grenzflächen der Verstärkungsphasen. Die Porenanzahl ändert sich während der Kriechbelastung im sekundären Kriechstadium nicht, jedoch wachsen die Poren, sodass der Porenvolumenanteil verdoppelt wird. In der a-Aluminiummatrix wurden keine Kriechporen gefunden.

The evolution of the micro-structure during creep of an AlSi12CuMgNi piston alloy with 15 vol% of Al2O3 short fibres is investigated by means of synchrotron micro-tomography. The results reveal a 3D morphology of the rigid phases in the composite: the eutectic-Si, the short fibres and the Fe- and Ni-rich intermetallic particles, which form an interconnected hybrid reinforcement. The connectivity of these phases increases during creep exposure at 300 °C due to the diffusion induced ripening of Si and of the intermetallic particles. The hybrid reinforcement reaches almost complete percolation after 6400 h of creep exposure. The fibre orientation analysed by three-dimensional Fast Fourier Transformation does not indicate any reorientation of the fibres along the load direction. The formerly observed strengthening effect during creep exposure is attributed to the increasing load carrying capacity of the interconnected hybrid reinforcement. The analysis of creep damage during secondary creep stage shows the increase of the void volume fraction by a factor of 2 with respect to the void content from processing, while the number of voids per volume remains practically constant. The voids are located at interfaces of the rigid phases and not within the a-aluminium matrix.