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Joél Schukraft

• In dieser Arbeit wird ein Metall-Keramik-Durchdringungsverbund auf Basis einer hochporösen isotropen Aluminiumoxidpreform und einer AlSi10Mg-Legierung mittels Gasdruckinfiltration hergestellt und charakterisiert. Im Abgleich mit den Komponenten (der keramischen Preform und der AlSi10Mg-Legierung) werden von der Mikrostruktur, über die elastischen und elastisch-plastischen mechanischen, die thermischen Eigenschaften bestimmt und deren Überlagerung in thermo-mechanischen Untersuchungen analysiert. Darüber hinaus wurden die wesentlichen Schädigungsmechanismen charakterisiert und Ansätze zur Selbstheilung durchgeführt, sowie richtungsweisende Schlüsse aus den gesammelten Erkenntnissen gezogen. Die keramische Preform, von der Firma Morgan Advanced Materials Haldenwanger GmbH zur Verfügung gestellt, hat eine offene Porosität von ca. 74 Vol.-% und einen mittleren Porendurchmesser von ca. 40 µm. Die Poren sind monomodal verteilt und weisen eine hohe Homogenität auf, welche sich in einemIn dieser Arbeit wird ein Metall-Keramik-Durchdringungsverbund auf Basis einer hochporösen isotropen Aluminiumoxidpreform und einer AlSi10Mg-Legierung mittels Gasdruckinfiltration hergestellt und charakterisiert. Im Abgleich mit den Komponenten (der keramischen Preform und der AlSi10Mg-Legierung) werden von der Mikrostruktur, über die elastischen und elastisch-plastischen mechanischen, die thermischen Eigenschaften bestimmt und deren Überlagerung in thermo-mechanischen Untersuchungen analysiert. Darüber hinaus wurden die wesentlichen Schädigungsmechanismen charakterisiert und Ansätze zur Selbstheilung durchgeführt, sowie richtungsweisende Schlüsse aus den gesammelten Erkenntnissen gezogen. Die keramische Preform, von der Firma Morgan Advanced Materials Haldenwanger GmbH zur Verfügung gestellt, hat eine offene Porosität von ca. 74 Vol.-% und einen mittleren Porendurchmesser von ca. 40 µm. Die Poren sind monomodal verteilt und weisen eine hohe Homogenität auf, welche sich in einem isotropen elastischen Verhalten mit einem E-Modul von ca. 21 GPa niederschlägt. Durch das mechanische Aufschlagen eines stabilisierten Schlickers hat die keramische Preform dichtgeformte keramische Stege und mittlere Festigkeiten von ca. 41 MPa. Im Vergleich zur AlSi10Mg-Legierung steigt die Dichte von 2,67 g/cm³ auf 2,95 g/cm³ im Durchdringungsverbund, der E-Modul kann von ca. 78 auf über 110 GPa und die Streckgrenze unter Druckbelastung, abhängig vom Gefügezustand der metallischen Phase, um über 80 % gesteigert werden. Die mechanischen Eigenschaften unter Zug variieren stark in Abhängigkeit des Gefügezustands in der metallischen Phase, sind aber für den Zustand nach der Gasdruckinfiltration vergleichbar. Die thermischen Eigenschaften der AlSi10Mg-Legierung werden im Durchdringungsverbund durch die keramische Preform beeinflusst, sodass bei 100 °C eine Verringerung der Wärmekapazität um 2 %, der Wärmeleitfähigkeit um 39 % und der Wärmeausdehnung um 37 % stattfindet. Ab Temperaturen von 285 °C werden thermisch aktivierte Phänomene im Durchdringungsverbund beobachtet, die sich in einem Hystereseverhalten in den elastischen Eigenschaften und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten niederschlagen und einen markanten Anstieg der Lebensdauer unter thermo-mechanischer Ermüdung bewirken. Unter Druckbelastung lässt sich im Durchdringungsverbund ein dreistufiger Schädigungsverlauf erkennen, der durch Rissüberbrückung, Rissverzweigung und plastische Deformation in der metallischen Phase ein hohe Energieabsorption und ein gutmütiges Versagen bewirkt. Unter Zug wirkt sich vor allem die verbleibende Porosität, die Sprödigkeit der keramischen Phase und die innere Kerbwirkung auf die Schädigung aus, sodass der Durchdringungsverbund spontan und katastrophal versagt. Unter thermo-mechanischer Beanspruchung lässt sich ein Wechsel im Schädigungsmechanismus von rissbildungs- zu risswachstumsdominierter Lebensdauer, ebenfalls zwischen 250 und 300 °C, beobachten. Für die Selbstheilung zeigt die Mikrostruktur mit der Kombination einer „niedrig“- und „hochschmelzenden“ Phase vielversprechende Ansätze, die durch die schlechte Benetzung und hohe Oxidationsanfälligkeit der Aluminiumlegierung jedoch nicht zu einem durchbrechenden Erfolg führten. Nichtsdestotrotz zeigt der Durchdringungsverbund vielversprechende Eigenschaften für den erfolgreichen Einsatz als konstruktiver Leichtbauwerkstoff in einer thermisch und mechanisch belasteten Anwendung.…
• In this work, an interpenetrating metal-ceramic composite, based on a highly porous isotropic alumina preform and an AlSi10Mg alloy is fabricated by gas pressure infiltration and characterized. In comparison to the components (the ceramic preform and the AlSi10Mg alloy), the microstructure, elastic and elastic-plastic mechanical, and thermal properties are determined and combination of thermal and mechanical load is analyzed in thermo-mechanical investigations. In addition, the main damage mechanisms were characterized and self-healing approaches were carried out. The ceramic preform, provided by Morgan Advanced Materials Haldenwanger GmbH, has an open porosity of about 74 vol% and an average pore diameter of about 40 µm. The pores are monomodally distributed and exhibit high homogeneity, which is reflected in an isotropic elastic behavior with a Young's modulus of about 21 GPa. Due to the mechanical stirring of a stabilized slurry, the ceramic preform forms dense ceramic struts andIn this work, an interpenetrating metal-ceramic composite, based on a highly porous isotropic alumina preform and an AlSi10Mg alloy is fabricated by gas pressure infiltration and characterized. In comparison to the components (the ceramic preform and the AlSi10Mg alloy), the microstructure, elastic and elastic-plastic mechanical, and thermal properties are determined and combination of thermal and mechanical load is analyzed in thermo-mechanical investigations. In addition, the main damage mechanisms were characterized and self-healing approaches were carried out. The ceramic preform, provided by Morgan Advanced Materials Haldenwanger GmbH, has an open porosity of about 74 vol% and an average pore diameter of about 40 µm. The pores are monomodally distributed and exhibit high homogeneity, which is reflected in an isotropic elastic behavior with a Young's modulus of about 21 GPa. Due to the mechanical stirring of a stabilized slurry, the ceramic preform forms dense ceramic struts and has an average compression strengths of approx. 41 MPa. Compared to the AlSi10Mg alloy, the density increases from 2.67 g/cm³ to 2.95 g/cm³ in the interpenetrating metal-ceramic composite, the Young's modulus can be increased from approx. 78 to over 110 GPa and the yield strength under compressive loading, depending on the microstructural condition of the metallic phase, by over 80%. The mechanical properties under tension vary greatly depending on the microstructural condition of the metallic phase but are comparable for the infiltrated condition after gas pressure infiltration. The thermal properties of the AlSi10Mg alloy are affected by the reinforcement of the ceramic preform. At 100 °C there is a 2% reduction in heat capacity, 39% reduction in thermal conductivity and 37% reduction in thermal expansion. At temperatures above 285 °C, thermally activated phenomena are observed in the interpenetration metal-ceramic composite, which are reflected in hysteresis behavior in the elastic properties and the coefficient of thermal expansion, as well as a markable increase in service life under thermo-mechanical fatigue. Under compressive loading, a three-stage damage progression can be observed in the interpenetrating metal-ceramic composite, showing high energy absorption and good-natured failure due to crack bridging, crack branching and plastic deformation in the metallic phase. Under tension, the remaining porosity, brittleness of the ceramic phase and internal notch effect mainly affect the damage and the interpenetrating metal-ceramic composite fails spontaneously and catastrophically. Under thermo-mechanical loading, a change in the damage mechanism from crack initiation to crack growth dominated service-life can be observed in the above-mentioned temperature range. For self-healing approaches, the composite shows a promising microstructure and composition of a "low" and "high" melting phase, which, however, did not lead to a breakthrough success due to the poor wetting and high oxidation susceptibility of the aluminum alloy. Nevertheless, the interpenetrating metal-ceramic composite shows promising properties for successful application as a structural lightweight material in a thermally and mechanically loaded application.…