Ausgangslage:
Durchdringungsverbundwerkstoffe zeichnen sich durch eine dreidimensional zusammenhängende, kontinuierliche Struktur aller Werkstoffkomponenten aus und können somit gänzlich andere Eigenschaftsprofile als z. B. faser- oder partikelverstärkte Verbundwerkstoffe aufweisen. Der Verbundwerkstoff entsteht dabei mittels der Durchdringung, also Infiltration, einer offenporigen Struktur (Preform) mit einem Matrixwerkstoff. Aufgrund der Defizite bestehender Fertigungsverfahren konnte das Potential solcher Durchdringungsverbundwerkstoffe jedoch bislang nicht vollständig ausgeschöpft werden. Im Rahmen der ersten Förderperiode des Projektes LI 1556/66 konnte die Herstellbarkeit von Metall-Keramik-Durchdringungswerkstoffen (MKD) mittels der Formgebung im teilflüssigen Zustand aufgezeigt werden. Weiterhin wurden sowohl physikalische als auch chemische Interaktionsmechanismen, welche während des Infiltrationsprozesses ablaufen, identifiziert und analysiert. Die erzielten Bauteileigenschaften zeigten das Potential, aber auch die bestehenden Limitationen des Werkstoffverbundes aus der Materialpaarung Metall-Keramik auf. Daher werden die gewonnenen Erkenntnisse im Projekt AddInf auf die Herstellung von Metall-Metall-Durchdringungswerkstoffen (MMD) (Aluminium/Stahl) übertragen, um die identifizierten Grenzen von MKD zu verschieben. Bei der Materialpaarung Aluminium-Stahl steht insbesondere eine Erhöhung der Zug- und Biegefestigkeit gegenüber reinem Aluminium bzw. verglichen mit den in der ersten Förderperiode hergestellten MKD im Fokus. Im Rahmen der beschriebenen Vorarbeiten konnten diesbezüglich bereits vielversprechende Ergebnisse erzielt werden. Einsatzgebiete können die Substitution von klassischen Aluminiumbauteilen sein, an die die Anforderung einer erhöhten Festigkeit gestellt werden oder von klassischen Stahlbauteilen, welche hinsichtlich des Gewichts optimiert oder gradiert ausgeführt werden sollen. So übernimmt die mit einer teilflüssigen Aluminiumlegierung infiltrierte Stahlkomponente die klassische Rolle der Verstärkungsphase zur Erhöhung der spezifischen Festigkeiten oder kann verschleißfeste Funktionsflächen darstellen.

Ziel:
Ziel des Forschungsprojekts AddInf die Herstellung und Qualifizierung eines Werkstoffverbundes, bestehend aus einer aus dem Werkstoff 1.4542 additiv hergestellten Gitterstruktur und anschließender Infiltration der Aluminiumlegierung A356. Die additive Herstellung des Grundkörpers ermöglicht eine für die Infiltration optimierte und an die Bauteilgeometrie angepasste Gitterstruktur als Verstärkungsstruktur. Dabei kann der Vorteil der hohen Formgebungsfreiheit der additiven Fertigung genutzt werden. Die in diesem Vorhaben maßgebliche Neuheit zur Verbesserung von infiltrierten Verbindungen besteht hierbei in der Modifikation der Gitterstreben durch eine poröse Randschicht zur zusätzlichen Verbesserung der Anbindungsfestigkeit.

Vorgehen:
Zunächst wird der gesamte Herstellungsprozess numerisch abgebildet, worin einerseits die prozessbedingte Wärmeakkumulation bei der Herstellung einer porösen Randschicht an Gitterstrukturen, sowie die anschließende Infiltration der Gitterstrukturen simulativ abgebildet werden. Zur Validierung der Infiltrationssimulation werden initial vom wbk Gitterstrukturen mit variierender Makroporosität (Elementarzellenlänge) basierend auf konventionellen kubischen Gitterstrukturen aufgebaut und vom IFU infiltriert. Anschließend werden Gitterstrukturen mit poröser Randschicht hergestellt, welche sich durch unterschiedliche Prozessstrategien erzeugen lassen. Statistisch verteilte Porosität, welche auf bewusst induzierte Lack-of-Fusion (LoF) Defekte zurückzuführen ist, geometrisch bestimmte Randstrukturen, welche entweder über bewusst hochenergetische Konturscans einem Widerhaken ähneln oder als definierte offenporige Mikro-Gitterstrukturen, welche geometrisch definiert auf der Makro-Gitterstruktur hergestellt werden. Die hergestellten Gitterstrukturen werden mittels CT-Analysen (Computertomographie) auf ihre Geometrie und Porosität hin untersucht. Da eine formschlüssige Verbindung im infiltrierten Werkstoffverbund angestrebt wird, werden die Übergänge zwischen dem Gitter und der Gitterstrebenporosität, sowie zwischen Gitter- und Edelstahlanbindung mechanisch charakterisiert, um die Zugfestigkeit der Randschichtanbindung zu ermitteln. Im nächsten Schritt werden die gefertigten Stahlgitterstrukturen mittels der Formgebung im teilflüssigen Zustand mit Aluminium infiltriert. Hierfür wird zunächst ein neues, auf die Hebelgeometrie angepasstes Formgebungswerkzeug (Gesenk) ausgelegt und gefertigt. In umfangreichen Versuchsreihen werden dann erst isotrope (gleichmäßige) Gitter infiltriert, um das Prozessfenster zu validieren, und anschließend komplexere, gradierte Gitterstrukturen, die speziell für die Lastpfade des Hebel-Demonstrators ausgelegt sind. Eine besondere Herausforderung ist die Beherrschung der unterschiedlichen Wärmeausdehnung von Stahl und Aluminium, was durch eine angepasste Vorheizstrategie gelöst wird. Abschließend werden die hergestellten MMD-Bauteile umfassend analysiert, um die erzielten Eigenschaften zu qualifizieren. Mittels Lichtmikroskopie wird die Qualität der Infiltration, die Unversehrtheit des Stahlgitters und die Anbindung in der Grenzfläche zwischen Stahl und Aluminium bewertet. Die neuen Werkstoffverbunde werden zudem hinsichtlich ihrer mechanischen Kennwerte wie E-Modul, Zug-, Druck- und Scherfestigkeit geprüft. Da Bauteile oft wechselnden Bedingungen ausgesetzt sind, wird außerdem die Temperaturwechselfestigkeit sowie das Korrosionsverhalten untersucht, um die Anwendungsrelevanz der neuen MMDs nachzuweisen.