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Kerstin Dittmann

• Metallische Gläser zeichnen sich durch ihre amorphe Struktur und herausragende mechanische Eigenschaften aus. Ihre geringe Duktilität begrenzt jedoch ihre Anwendung als monolithisches Strukturbauteil. Eine vielversprechende Alternative stellt ihre Integration als Verstärkungsphase in Metallmatrixverbundwerkstoffen dar. In dieser Arbeit wurde erstmals eine offenporige, mechanisch stabile Gitterstruktur aus dem metallischen Glas Ni60Nb20Ta20 mittels pulverbettbasiertem Laserstrahlschmelzen hergestellt und mit einer eutektischen Aluminiumgusslegierung (AlSi12) infiltriert, um einen Durchdringungsverbund zu erzeugen. In beiden Prozessschritten konnte die amorphe Struktur des metallischen Glases weitgehend erhalten werden. Die Ni60Nb20Ta20-Preform weist eine anisotrope Geometrie in und quer zur Aufbaurichtung auf, was sich in den Ergebnissen der mikrostrukturellen, thermischen und mechanischen Charakterisierung widerspiegelt. Insbesondere die thermische Ausdehnung und die mechanischeMetallische Gläser zeichnen sich durch ihre amorphe Struktur und herausragende mechanische Eigenschaften aus. Ihre geringe Duktilität begrenzt jedoch ihre Anwendung als monolithisches Strukturbauteil. Eine vielversprechende Alternative stellt ihre Integration als Verstärkungsphase in Metallmatrixverbundwerkstoffen dar. In dieser Arbeit wurde erstmals eine offenporige, mechanisch stabile Gitterstruktur aus dem metallischen Glas Ni60Nb20Ta20 mittels pulverbettbasiertem Laserstrahlschmelzen hergestellt und mit einer eutektischen Aluminiumgusslegierung (AlSi12) infiltriert, um einen Durchdringungsverbund zu erzeugen. In beiden Prozessschritten konnte die amorphe Struktur des metallischen Glases weitgehend erhalten werden. Die Ni60Nb20Ta20-Preform weist eine anisotrope Geometrie in und quer zur Aufbaurichtung auf, was sich in den Ergebnissen der mikrostrukturellen, thermischen und mechanischen Charakterisierung widerspiegelt. Insbesondere die thermische Ausdehnung und die mechanische Druckfestigkeit wird von der anisotropen Preform geprägt. So erzielt der Verbund in Aufbaurichtung eine deutlich höhere thermische Ausdehnung als quer dazu. Ebenso erreicht der Verbund in Aufbaurichtung eine höhere mechanische Druckfestigkeit als quer zur Aufbaurichtung. Dies geht mit einem anisotropen Schädigungsverhalten einher. Das Versagensverhalten in der Verbundprobe entlang der Aufbaurichtung wird von Schubspannungen dominiert und resultiert in einem Abscheren der gesamten Probe. Quer zur Aufbaurichtung wird das Versagensverhalten von Normalspannungen dominiert und resultiert in einem Ausbauchen der Verbundprobe. Die TEM-Ergebnisse in Korrelation mit in-situ-Untersuchungen zeigen, dass aufgrund der mechanischen Verzahnung sowie der Schrumpfung der Aluminiumschmelze nach der Infiltration ein guter Grenzflächenverbund erzielt werden konnte. Die experimentellen Ergebnisse konnten mit analytischen Modellen zum thermischen Ausdehnungsverhalten und den elastischen Kennwerten sowie einem FE-Modell validiert werden. Durch die durchgeführten Arbeiten konnte ein ganzheitliches Materialverständnis für die Ni60Nb20Ta20 Preform aus metallischem Glas und den Durchdringungsverbund erreicht werden.…
• Metallic glasses have an amorphous atomic structure and exhibit exceptional mechanical properties. However, metallic glasses are also prone to brittle fracture, making them difficult to use as monolithic structural components and might better be used as a reinforcement phase in hybrid composite materials such as metal matrix composites. In this work, an open-porous lattice structure was manufactured from metallic glass powder (Ni60Nb20Ta20) by laser powder bed fusion and subsequently infiltrated with an eutectic aluminum alloy (AlSi12) to create an interpenetrating composite. In both process steps, the amorphous structure of the metallic glass was largely retained. The Ni60Nb20Ta20-preform has an anisotropic geometry in and transversely to build direction, which is reflected in the results of the microstructural, thermal and mechanical characterization of the composite. In particular, the thermal expansion and the mechanical compressive strength are influenced by the anisotropicMetallic glasses have an amorphous atomic structure and exhibit exceptional mechanical properties. However, metallic glasses are also prone to brittle fracture, making them difficult to use as monolithic structural components and might better be used as a reinforcement phase in hybrid composite materials such as metal matrix composites. In this work, an open-porous lattice structure was manufactured from metallic glass powder (Ni60Nb20Ta20) by laser powder bed fusion and subsequently infiltrated with an eutectic aluminum alloy (AlSi12) to create an interpenetrating composite. In both process steps, the amorphous structure of the metallic glass was largely retained. The Ni60Nb20Ta20-preform has an anisotropic geometry in and transversely to build direction, which is reflected in the results of the microstructural, thermal and mechanical characterization of the composite. In particular, the thermal expansion and the mechanical compressive strength are influenced by the anisotropic preform. Thus, the composite material achieves a significantly higher thermal expansion in than transversely to build direction. Likewise, the composite material achieves a higher mechanical compressive strength in than transversely to build direction. This is accompanied by an anisotropic failure behavior. The failure behavior in build direction is dominated by shear stress resulting in shearing of the whole sample. The failure behavior transversely to build direction is dominated by normal stress resulting in buckling of the sample in the end of experiment. The STEM results in correlation with in-situ investigations show a good interfacial bonding could be achieved based on mechanical interlocking due to the roughness of the interface as well as due to the shrinkage of the aluminum melt after infiltration. The experimental results were validated using analytical models of the thermal expansion behavior and the elastic properties, as well as an FE-model. In this work a complete understanding of the metallic glass Ni60Nb20Ta20-preform and the interpenetrating composite has been achieved.…