TY - BOOK

T1 - Simulationsgestützte Entwicklung eines Gießverfahrens zur Herstellung von Schichtverbunden aus Aluminiumlegierungen

AU - Heugenhauser, Stefan

N1 - nicht gesperrt

PY - 2018

Y1 - 2018

N2 - Mit dem Fügen von zwei verschiedenen Aluminiumlegierungen mit unterschiedlichen chemischen, mechanischen und physikalischen Eigenschaften können Werkstoffverbunde mit gänzlich neuem Eigenschaftsprofil hergestellt werden. Getrieben vom industriellen Bedarf an immer leistungsfähigeren und spezifischeren bandförmigen Aluminium-Werkstoffverbunden nimmt die Verarbeitung von hochfesten Materialien stetig zu und bringt die klassischen Walzprozesse zur Erzeugung dieser Verbunde mit abnehmender plastischer Verformbarkeit der Legierungen an ihre Grenzen. Mit der simulationsgestützten Entwicklung eines Gießverfahrens zur Herstellung von Schichtverbunden aus Aluminiumlegierungen wird ein alternatives Verarbeitungskonzept verfolgt, bei dem flüssige Schmelze kontrolliert auf ein temperiertes Substrat unter Ausbildung eines stoffschlüssigen Verbundes aufgegossen wird. In einer dafür entwickelten und aufgebauten Verbundgießanlage wurden in einem quasikontinuierlichen Gießvorgang Verbundgussproben aus unterschiedlichen Aluminiumlegierungen (Al7075, AlSn25) und Reinaluminium (Al99,8) unter definierten Prozessbedingungen hergestellt. Die Anlage ermöglichte die Erprobung von Materialpaarungen unterschiedlicher Dicke bei vorgewählter Substrat- und Schmelzetemperatur, verschiedener Beschaffenheit der Substratoberfläche bei definierter Gießgeschwindigkeit, um den Einfluss von verschiedenen Prozessparametern auf die metallographisch ermittelten Verbundqualitäten darzustellen. Mit dem Einsatz von dynamischen und statischen zwei- und dreidimensionalen Simulationsmodellen der Versuchsgießanlage, die mit Temperaturmessdaten aus den Gießversuchen iterativ kalibriert wurden, lassen sich die messtechnisch kaum zu erfassenden thermischen Verhältnisse in der Verbundgrenzfläche als auch die thermisch bedingten Aufschmelz- und Erstarrungsvorgänge im gesamten Verbundkörper in sehr hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung darstellen. Die für die numerische Simulation notwendigen thermophysikalischen Daten der Substratlegierungen wurden von Raumtemperatur bis in den schmelzflüssigen Zustand ermittelt. Die Auswertungen der Gießversuche haben gezeigt, dass die Oxidhaut an der Substratoberfläche eine zentrale Rolle für die Ausbildung eines stoffschlüssigen Verbundes spielt. Nur wenn sich diese während des Aufgießens von der Verbundgrenzfläche löst, kann ein stoffschlüssiger Verbund zwischen der Substrat- und Aufgussschicht entstehen. Erst die Verbindung der numerischen Ergebnisse mit jenen der praktischen Gießversuche ermöglicht einen Zusammenhang zwischen den thermischen Bedingungen in der Grenzfläche und dem Ablösen der Oxidschicht und somit der Verbundqualität abgegossener Verbundplatten herzustellen.

AB - Mit dem Fügen von zwei verschiedenen Aluminiumlegierungen mit unterschiedlichen chemischen, mechanischen und physikalischen Eigenschaften können Werkstoffverbunde mit gänzlich neuem Eigenschaftsprofil hergestellt werden. Getrieben vom industriellen Bedarf an immer leistungsfähigeren und spezifischeren bandförmigen Aluminium-Werkstoffverbunden nimmt die Verarbeitung von hochfesten Materialien stetig zu und bringt die klassischen Walzprozesse zur Erzeugung dieser Verbunde mit abnehmender plastischer Verformbarkeit der Legierungen an ihre Grenzen. Mit der simulationsgestützten Entwicklung eines Gießverfahrens zur Herstellung von Schichtverbunden aus Aluminiumlegierungen wird ein alternatives Verarbeitungskonzept verfolgt, bei dem flüssige Schmelze kontrolliert auf ein temperiertes Substrat unter Ausbildung eines stoffschlüssigen Verbundes aufgegossen wird. In einer dafür entwickelten und aufgebauten Verbundgießanlage wurden in einem quasikontinuierlichen Gießvorgang Verbundgussproben aus unterschiedlichen Aluminiumlegierungen (Al7075, AlSn25) und Reinaluminium (Al99,8) unter definierten Prozessbedingungen hergestellt. Die Anlage ermöglichte die Erprobung von Materialpaarungen unterschiedlicher Dicke bei vorgewählter Substrat- und Schmelzetemperatur, verschiedener Beschaffenheit der Substratoberfläche bei definierter Gießgeschwindigkeit, um den Einfluss von verschiedenen Prozessparametern auf die metallographisch ermittelten Verbundqualitäten darzustellen. Mit dem Einsatz von dynamischen und statischen zwei- und dreidimensionalen Simulationsmodellen der Versuchsgießanlage, die mit Temperaturmessdaten aus den Gießversuchen iterativ kalibriert wurden, lassen sich die messtechnisch kaum zu erfassenden thermischen Verhältnisse in der Verbundgrenzfläche als auch die thermisch bedingten Aufschmelz- und Erstarrungsvorgänge im gesamten Verbundkörper in sehr hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung darstellen. Die für die numerische Simulation notwendigen thermophysikalischen Daten der Substratlegierungen wurden von Raumtemperatur bis in den schmelzflüssigen Zustand ermittelt. Die Auswertungen der Gießversuche haben gezeigt, dass die Oxidhaut an der Substratoberfläche eine zentrale Rolle für die Ausbildung eines stoffschlüssigen Verbundes spielt. Nur wenn sich diese während des Aufgießens von der Verbundgrenzfläche löst, kann ein stoffschlüssiger Verbund zwischen der Substrat- und Aufgussschicht entstehen. Erst die Verbindung der numerischen Ergebnisse mit jenen der praktischen Gießversuche ermöglicht einen Zusammenhang zwischen den thermischen Bedingungen in der Grenzfläche und dem Ablösen der Oxidschicht und somit der Verbundqualität abgegossener Verbundplatten herzustellen.

KW - Verbundgießen

KW - stoffschlüssige Verbundbildung

KW - Aluminiumlegierungen

KW - Oxidschicht

KW - Versuchsgießanlage

KW - Numerische Prozessmodellierung

KW - Thermophysik

KW - compound casting

KW - metallurgical compound

KW - aluminium alloys

KW - oxide layer

KW - small-scale pilot plant

KW - numerical process simulation

KW - thermophysical properties

M3 - Dissertation

ER -