Thermal stability and structural evolution of a modified 2XXX alloy for an engine component application

Komponenten für den Automotive-Bereich zeichnen sich üblicherweise durch ein ausgeklügeltes Design und die Nutzung spezieller Werkstoffe aus. Dies ist der Tatsache geschuldet, dass für eine energieeffizientes Gesamtsystem eine gesteigerte Widerstandsfähigkeit bei gleichzeitiger Minimierung des Gewichts gefordert wird. Der Kurbeltrieb von Verbrennungsmotoren kann hier als Extrembeispiel angesehen werden, da nicht nur hohe Verbrennungstemperaturen und -drücke vorherrschen, sondern auch enorme dynamische Belastungen auftreten. Kolben, welche das Kernstück des Motors darstellen, bestehen in der Serienanwendung üblicherweise aus einer Aluminium-Gusslegierung. Im Motorsportbereich, der schon oft technologische Entwicklungen für den Serienbetreib hervorgebracht hat, bedarf es allerdings fortgeschrittener Lösungsansätze, die durch Fertigungs- und Designkonzepte realisiert werden–wie z.B. Additive Manufacturing (AM). Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Untersuchung einer modifizierten 2xxx Al-Legierung, die speziell für die additive Fertigung von hochbelasteten Kolben entwickelt wurde. Das Verhalten des Ausgangsmaterials (Pulver) und 3D-gedruckter Kolben mit unterschiedlichen Prozess- (Schütthöhe des Pulverbetts) und Wärmebehandlungsparametern [T4 und HIP-T6 (hot isostatic pressing)] wurden jenen einer konventionell hergestellten 2xxx Al-Legierung (chemisch unterschiedlich) gegenübergestellt. Die Ausscheidungscharakteristik aufgrund von Wärmeeinfluss im Pulver unterscheidet sich signifikant von der des fertigen Bauteils, welches mehrere Aufschmelz- und Abkühlprozesse durch den Lasereintrag erfahren hat. Die im Pulver entstehenden Ti-Zr-reichen Ausscheidungen treten im fertigen Bauteil nicht auf, dort überwiegt die stabile Al2Cu Ausscheidung. Ferner sind im gedruckten und wärmebehandelten Gefüge Bereiche unterschiedlicher Korn- und Ausscheidungsgröße zu finden, welche marginal unterschiedliche Härtewerte aufweisen und somit auf die dem Prozess geschuldeten Anisotropie hindeuten. Es konnte weiters gezeigt werden, dass durch eine komplexe Phasenausscheidungssequenz im gedruckten Material eine Steigerung der thermischen Stabilität gegenüber dem konventionell gefertigten Bauteil gegeben ist. Kornwachstum durch Wärmeeinfluss wird unabhängig von Temperatur und Beanspruchungsdauer signifikant reduziert, was zu einem Härtevorteil von bis zu 100 % nach 72 h bei 350 °C. Unterschiede zwischen den Prozess- und Wärmebehandlungsvarianten der modifizierten 2xxx Legierung sind auf makroskopischer Ebene nicht gegeben. Den Abschluss dieser Arbeit bildet die Analyse eines aus der modifizierten 2xxxx Legierung gefertigten AM-Kolbens nach einem Motorprüfstandslauf, welche darauf hindeutet, dass sowohl Prozess als auch Material für Motorsportanwendungen geeignet sind.