Einfluss der Prozessparameter auf Porosität und Mikrostruktur sprühkompaktierter übereutektischer Al-Mg2Si-Legierungen

Das Sprühkompaktieren ist ein Urformverfahren, das zwischen dem klassischen Gießen und der Pulvermetallurgie einzuordnen ist. Aufgrund der hohen auftretenden Abkühlraten zeichnen sich sprühkompaktierteHalbzeuge insbesondere durch eine makroseigerungsfreie, feine Mikrostruktur aus. Damit ist es zum Urformen von Legierungen mit hohen Gehalten an Legierungselementen geeignet, die sich gießtechnisch nicht mit einer für gute mechanische Eigenschaften erforderlichen hinreichend feinen und homogenen Mikrostruktur gießen lassen. Das Sprühkompaktieren hat sich daher als Nischenverfahren für spezialisierte Werkstoffe etabliert. Beim Sprühkompaktieren tritt - wie bei anderen Urformverfahren auch - im Halbzeug eine Porosität auf, deren Volumenanteil stark von den gewählten Prozessparametern abhängt. Poren stellen stets eine Schwachstelle im Material bei mechanischer Belastung dar. Die Porosität ist daher mindestens so weit zu minimieren, dass sie durch einen in der Prozesskette vieler Herstellungsprozesse ohnehin vorhandenen Umformschritt sicher geschlossen werden kann. In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss der Prozessparameter auf die Ausbildung der Porosität und Mikrostruktur beim Sprühkompaktieren übereutektischer Al-Mg-Si-Legierungen (22 und 30 Massen-% Mg2Si) untersucht. Neben der reinen Messung der Porosität wurden auch quantitative Analysen der Porengröße und der auftretenden Porenstrukturen durchgeführt. Es zeigte sich, dass die Poren in Abhängigkeit der Prozessparameter nicht zwingend homogen oder rotationssymmetrisch verteilt sind, sondern dass auch dreidimensionale Porenstrukturen auftreten können. Die Analyse der Mg-Si-Dispersoide - als Kriterium für die Feinheit der Mikrostruktur - zeigte eine starke Abhängigkeit von den Prozessparametern. Neben experimentellen Untersuchungen wurden theoretische Betrachtungen auf drei Ebenen - Makro, Meso und Mikro - durchgeführt. Auf der Makro-Ebene wurde das Sprayanhand einer integralen Betrachtung über das gesamte Spray und die gesamte Versuchszeit charakterisiert. So ließ sich durch die Wahl kälterer Sprühbedingungen die Porosität bis hin zu einem Porositätsminimum reduzieren. Hinsichtlich der Dispersoidgröße konnte eine Abnahme bei kälteren Sprühbedingungen festgestell~ werden. Auf der Meso-Ebene wurde der Deposit-Aufwachsprozess betrachtet und das transiente Temperaturfeld im Deposit für verschiedene thermische Bedingungen ermittelt. Auf der Mikro-Ebene wurde detailliert der Einfluss der Scanfrequenz untersucht. Es zeigte sich, dass eine Steigerung der Scanfrequenz für beide Legierungen sowohl in einer deutlichen Reduzierung der Porosität als auch in einer Reduzierung der Dispersoidgröße resultierte. Es wurde eine zeitlich sehr fein aufgelöste Berechnung des Schichtwachstums auf der Depositoberfläche für beide Scanfrequenzen durchgeführt. Die Betrachtung des Schichtwachstums ergab, dass sich für die erhöhte Scanfrequenz eine deutlich homogenere, dünnere Schichtdicke beim Aufwachsen ergibt. Die dünneren Schichten führen aufgrund ihres höheren Verhältnisses von Oberfläche zu Volumen zu einer erhöhten Erstarrungsrate während der Kompaktierphase und führen so zu einer verringerten anfänglichen Dispersoidgröße. Die weitere Abkühlung im Bolzen mit der damit verbundenen Vergröberung der Dispersoide wird hierdurch nicht beeinflusst.