Bewertung der Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehung von verbundgestrahlten Aluminiumwerkstoffen

Das Verbundstrahlen stellt ein neu entwickeltes Verfahren auf Basis des Mikrostrahlens dar. Durch die Erweiterung einer Mikrostrahlanlage um eine Heizeinheit ist es möglich, keramische Strahlpartikel mehrere Mikrometer in ein Grundmaterial einzubringen. Die Eindringtiefe ist dabei von unterschiedlichen Prozessparametern, wie Materialpaarung, Temperatur, Strahldruck und Bearbeitungsanzahl abhängig. In der vorliegenden Arbeit wird der Zusammenhang zwischen den Prozessparametern, der sich ausbildenden Mikrostruktur und den daraus resultierenden Eigenschaften beschrieben.
... mehrMikroskopische Untersuchungen zeigen, dass sich durch das vielfache Auftreffen der Keramikpartikel eine Hügel-Tal-Struktur ausbildet. Weiterhin führt der mehrfache Aufprall zu einem Fragmentieren der Keramikpartikel. Diese werden vor allem in den Tälern der Oberflächenstruktur vorgefunden. Durch Prozesstemperaturen nahe dem Schmelzpunkt des Grundmaterials ist es möglich, die Fragmente der Keramikpartikel bis zu einer Tiefe von 40 μm in Aluminiumwerkstoffe einzubringen. Analytische Modelle aus den Bereichen des Strahlverschleißes und der Ballistik berechnen ähnliche Eindringtiefen. Detaillierte Untersuchungen der Mikrostruktur mittels Röntgendiffraktometrie (XRD) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) zeigen, dass die ehemals mikrometergroßen Strahlpartikel bis hin zu nanoskaligen Partikeln zerbrechen. Weiterhin weisen die Partikel durch den massiven Aufprall eine erhebliche Defektdichte auf.
Die quasi-statischen Eigenschaften werden nur geringfügig durch das Verbundstrahlen beeinflusst und sind nahezu unabhängig von den Prozessparametern. Die eingebrachten Partikel und die gesteigerte Rauheit der Oberfläche nach dem Verbundstrahlprozess führt bei Wechselbiegeversuchen zu einer geringfügigen Reduktion der Langzeitfestigkeit. Den größten Einfluss hat die verbundgestrahlte Oberfläche bei tribologischer Belastung. Die harte und raue Oberfläche erhöht den Reibungskoeffizient unter Schwing-Reib-Verschleiß, steigert aber den Widerstand gegen Abrasion erheblich.

Composite peening is a novel process based on micro peening. By adding a heating device to a micro peening system, it is possible to introduce ceramic blasting particles several micrometers into the base material of aluminum, for example. The penetration depth depends on different process parameters such as materials used, temperature, peening pressure and number of treatments. In this thesis the influence between the process parameters, the forming micro structure and the resulting mechanical properties is described.
Microscopic examinations show that a hill and valley surface topography is formed by multiple impact of the ceramic particles. ... mehrFurthermore, the multiple impacts lead to a fragmentation of the ceramic particles. These are mainly found in the valleys of the structure. Due to temperature near the melting point of the base material, it is possible to introduce the fragments of the ceramic particles into aluminum alloys up to a depth of 40 μm. Analytical models from the research areas of solid particle erosion and ballistics calculate similar penetration depths for composite peening. Detailed investigations of the microstructure using X-ray diffraction (XRD) and transmission electron microscopy (TEM) show that the formerly micrometer-sized blasting particles break down to nanoscale particles. Furthermore, the particles also show a considerable defect density after the massive impact.
The quasi-static properties are only slightly influenced by composite peening and are almost independent of the process parameters. The particles introduced and the increased roughness of the surface after the composite peening process lead to a slight reduction of the fatigue strength in case of alternating bending tests. In the case of tribological testing, composite peening has the most significant effect. Although the rigid and rough surface increases the coefficient of friction under oscillation wear, it also significantly improves the resistance to abrasion.