Entwicklung einer warmrissbeständigen AlCu-Gusslegierung für den Einsatz in thermisch belasteten Bauteilen unter Anwendung von DoE

Ein anforderungsgerechter Leichtbau und endkonturnahe Herstellungsprozesse sind Bausteine, die effektiv dazu beitragen. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass es unter Einsatz der statistischen Versuchsplanung möglich ist, mehrere Zielgrößen simultan zu adressieren und dadurch eine zeit- und ressourceneffiziente Werkstoffentwicklung zu betreiben.

In Vorbereitung auf die Legierungsentwicklung wurden thermodynamische Berechnungen sowie praktische Untersuchungen an konventionellen AlCu-Gusslegierungen durchgeführt. Unter Berücksichtigung der daraus gewonnenen Erkenntnisse wurde für die Aufstellung eines statistischen Versuchsplans ein interaktionsbasiertes Regressionsmodell zugrunde gelegt, in dem die vier Legierungselemente Kupfer (Cu), Mangan (Mn), Nickel (Ni) und Kobalt (Co) als Eingangsgrößen variiert wurden. Entsprechend der Anforderungen an den Werkstoff wurden die mechanischen Eigenschaften bis 300 °C, die Warmrissbeständigkeit sowie die Wärmeleitfähigkeit als Zielgrößen formuliert. Insgesamt achtzehn AlCuMnCo(Ni)-Legierungen wurden erprobt und analysiert.

Basierend auf den zuvor ermittelten Referenzwerte wurde anschließend aus dem Modell eine optimale Zusammensetzung AlCu6.7Mn0.5Co0.1 identifiziert, für die höchste me-chanische Eigenschaften bei 250 °C, eine Warmrisszahl < 1,0 sowie ein Phasenanteil < 8 % vorhergesagt wurde. Die Versuchsergebnisse bestätigten die hohe Modellqualität für die mechanischen Eigenschaften und den Phasenanteil. Der niedrige Phasenanteil führte zu einer hohen Wärmeleitfähigkeit der Legierung. Im Vergleich zur Referenzlegierung AlCuNiCoSbZr, weist das Optimum AlCu6.7Mn0.5Co0.1 überwiegend höhere Eigenschaften auf.