Entwicklung eines Verbundgusszylinderkopfes: Technologieentwicklung sowie Ermittlung und Simulation des Material- und Bauteilverhaltens

摘要

Das Streben nach hoherem Wirkungsgrad und Downsizing fuhrt zu hoherer spezifischer Leistung bei den Verbrennungsmotoren und damit zu hoheren Brennraumtemperaturen und Brennraumdrucken. Fur zukunftige Motoren kann noch hohere spezifische Leistung ermoglicht werden, in dem der kritische Bereich bzw. das gesamte Fireface aus einem Hochleistungswerkstoff gefertigt wird, der deutlich hohere thermomechanische Belastung ertragt und eine sehr gute Warmeleitfahigkeit aufweist. Die Entwicklung eines solchen Verbundgusszylinderkopfes wird hier vorgestellt. Wesentlich ist der stoffschlussig angegossenen Brennraumeinleger aus einem Hochleistungswerkstoff der Aluminium-Siliziumkarbid-Metall-Matrix-Composite (Al SiC MMC) Werkstoffgruppe. Die Zusammensetzung, die Warmeleitfahigkeit, die Festigkeit, die Verbundfestigkeit und die Hochtemperaturfestigkeit des Hochleistungswerkstoffes und des Materialverbundes werden charakterisiert. Ausserdem werden die Ergebnisse der Entwicklung der Giesstechnologie erlautert. Dabei werden Aspekte der Vorbehandlung der Einlegeroberflache, des Temperaturregimes beim Giessen, des Abgleichs der Giesssimulation mit den Messungen im Prozess und der Schmelzefuhrung uber der Verbundstelle betrachtet. Fur den Anwendungsfall wird die Simulation der Temperaturverteilung im Zylinderkopf mit verschiedenen Einlegerwerkstoffen verglichen. Fur ein neu entwickeltes numerisches Materialmodell vom Chaboche-Typ werden fur den Grundwerkstoff und den Hochleistungswerkstoff die Prufmethoden und die Bestimmung der Werkstoffkennwerte, die Bedatung der Materialmodelle sowie die Anwendung des viskoplastischen Materialverhaltens in Brennraumnahe vorgestellt.