Kriechverhalten von Hochtemperatur-Aluminium (HITEMAL)

Abstract

Die Arbeit soll einen Einblick in die Kriecheigenschaften von pulvermetallurgisch hergestelltem Aluminium geben, welches mit alternativen Verfahren neben dem bereits bekannten Sintern hergestellt wurde. Die Herstellverfahren umfassen das Extrudieren oder Schmieden nach dem kaltisostatischen Pressen (CIP) des Aluminiumpulvers mit einer mittleren Korngröße d50 von 1,3 ym und einer BET-Korngröße dBET von 0,48 ym. Die Besonderheit des Herstellprozesses liegt in dem dadurch erreichbaren Netzwerk aus Aluminiumoxid Al2O3 bzw. plattenartigen Dispersoiden, welche die Aluminiumkörner umgeben. Eine solche Aluminiumlegierung wird auch als Hochtemperaturaluminium, kurz HITEMAL, bezeichnet, da eine hohe Temperaturbeständigkeit angestrebt wird. Eine makroskopische sowie mikroskopische Untersuchung der Bruchfläche mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) erlaubte eine Kategorisierung der Bruchmechanismen, wobei mittels Lichtmikroskopie (LM) die Porenanzahl und Porengrößen quantifiziert werden konnten, um auf den Verformungsmechanismus schließen zu können. Die gewonnen Erkenntnisse wurden mit der in der Literatur gefundenen Karten der Verformungsmechanismen sowie Bruchmechanismen nach Ashby verglichen. Diese Gegenüberstellungen ergaben, dass die bis dato publizierten Karten für HITEMAL nicht genügen. Die experimentell gefundenen Werte für den Spannungsexponenten n von 1,6+/-2,0 für extrudierte A27A-Proben bzw. 1,3+/-0,9 für geschmiedete A27A-Proben, welche bis zu applizierten Spannungen von ca. 100 MPa konstant sind, weisen auf eine hohe Kriechbeständigkeit hin. Eine Extrapolation der Bruchzeit in Abhängigkeit der der minimalen Kriechrate und applizierten Spannung bei 300°C ergab eine abgeschätzte Bruchzeit zwischen 11.000 h und 13.000 h bei einer minimalen Kriechrate von ca. 2,1E-11 1/s und einer applizierten Spannung von ca. 100 MPa. Es konnte neben der umfassenden Auswertung der Kriechkurven ein Vergleich mit gesintertem Aluminium angestellt werden, um den festigkeitssteigernden Effekt des Al2O3 beim Kriechen zu quantifizieren. Der Verfestigungseffekt ergibt 80 MPa bei einer applizierten Spannung von ca. 130 MPa.

This work deals with the unique creep properties of powder metallurgically manufactured aluminum, which has been fabricated by innovative routes different to the already known sintering process. The fabrication route is based on extruding or forging subsequent to cold-isostatically pressing (CIP) of Aluminiumpowder with a mean particle size d50 of 1.3 ym and a BET diameter dBET of 0.48 ym. The special feature of the fabrication route is to form a continuous Al2O3 skeleton or plate-like dispersoids, which surround the grains. These aluminum alloys are also known as high-temperature aluminum (HITEMAL) due to the fact of their ability to withstand high temperatures. A macroscopic and microscopic evaluation of the rupture plane by the use of a scanning electron microscope (SEM) allowed a classification in fracture mechanisms and a quantification of the cavity density as well as dimensions of these cavities by the use of a light microscope (LM) aimed to classify the deformation mechanism behind. These findings have been compared with the map of deformation mechanisms and maps of fracture mechanisms by Ashby and reveals that these maps are not suitable for HITEMAL. The experimental values for Norton's stress exponent n are 1.6+/-2.0 for the extruded A27A-samples and 1.3+/-0.9 for the forged A27A-samples, which have been observed to be constant up to ca. 100 MPa. This implies a high creep resistance of both A27A-series. An extrapolation of time to rupture depending on the minimum creep rate and applied stress at 300°C manifested a time to rupture between 11,000 h and 13,000 h for a minimum creep rate of ca. 2.1E-11 1/s and an applied stress of ca. 100 MPa respectively. In addition to the evaluation of the creep curves, the creep strengthening effect of the Al2O3 has been measured by benchmarking against an ordinary sintered material. The composite creep strengthening effect results in 80 MPa at an applied stress of approximately 130 MPa.