Teilprojekt A01 Verbundguss

In der 1. Förderperiode wurden die Mechanismen der Verbundbildung zwischen den Fügepartnern Aluminium und Kupfer in XHV-adäquater Atmosphäre mittels Schwerkraft-Verbundguss im Labormaßstab untersucht. Dazu wurde in Kooperation mit Teilprojekt C01 eine In-situ-Desoxidationseinheit für die Kupfereinleger in die Handschuhbox integriert. Beim Verbundguss von Formeinsätzen aus hochreinem Kupfer und technisch reinem Aluminium bzw. Aluminium- Silizium-Legierungen wurden oxidschichtfreie, stoffschlüssige Verbunde ohne weitere Hilfsschichten oder Flussmittel in der XHV-adäquaten Atmosphäre erzielt. Detaillierte Untersuchungen der Grenzflächen zeigten, dass die Parameter Schmelz- und Einlegertemperatur einen entscheidenden Einfluss auf die Dicke der Verbundzone und damit auf deren thermophysikalische Eigenschaften haben. So wurden für nahezu porenfreie Verbundzonen mit schmalen intermetallischen Phasensäumen hohe Wärmeleitfähigkeiten von > 88 W/(m·K) erreicht. Dies entspricht einer Steigerung der Wärmeleitfähigkeit der Fügezone um mehr als das 2.900-fache verglichen mit konventionellen form- und kraftschlüssigen Verbunden, die über einen Luftspalt verfügen

Eine numerische Analyse des Gießprozesses erfolgte zunächst mittels Gießsimulation, die eine Korrelation zwischen der berechneten sog. Die-Soldering-Time (Zeitspanne in der eine flüssige Phase an der Grenzfläche vorliegt) und der Bildung intermetallischer Phasen ermöglichte. Darüber hinaus wurde durch weitere numerische Simulationen die Schichtentwicklung durch Festkörperdiffusion berechnet und gießtechnisch experimentell validiert. Mittels Elektronenmikroskopie und Röntgenbeugung wurden die intermetallischen Phasen in Zusammenarbeit mit Teilprojekt A05 analysiert und deren Einfluss auf die Wärmeleitfähigkeit bestimmt. Mittels Röntgenmikroskopie wurden Poren im Volumen quantitativ bestimmt, deren Einfluss auf die thermophysikalischen Eigenschaften der Verbundzone berechnet und somit Prozessgrenzen für das Verfahren herausgearbeitet. Das Benetzungsverhalten, die Gasaufnahme und die potenziell höhere Reaktivität der oxidschichtfreien Aluminiumschmelze werden in laufenden Versuchsreihen charakterisiert.

Nachdem die Grundlagen des Niederdruckgusses in XHV-adäquater Atmosphäre verstanden worden sind, besteht das zweite Ziel in der Entwicklung eines sauerstofffreien Verbundgussverfahrens zur Herstellung beschichteter Gussbauteile durch Schichttransplantation. Bisher war dieses vielversprechende Verfahren aufgrund der notwendigen Infiltration einer porösen thermischen Spritzschicht durch den Gusswerkstoff (Formschluss) nur bei Gießverfahren mit sehr hohen Drücken möglich. Bisher ungelöste Herausforderungen sind hierbei die auftretenden Eigenspannungen aufgrund hoher Temperaturgradienten und damit die Tendenz zum kohäsiven Schichtversagen. Im Niederdruckguss unter XHV-adäquater Atmosphäre kann die durch Teilprojekt B02 sauerstofffrei erzeugte und eigenspannungsreduzierte Funktionsschicht zukünftig stoffschlüssig von einem Einleger auf den Gusswerkstoff übertragen werden. Die erfolgreiche Umsetzung ermöglicht neue Bauteil- und Anwendungsspektren für die oxidschichtfreie Schichttransplantation durch die Erschließung von Gießverfahren mit niedrigem Gießdruck.