Vorsynthese funktionaler Körnung für die Herstellung Refraktärer Verbundwerkstoffe
Im Teilprojekt TP1 sollen refraktäre funktionale Körnungen 0-5 mm aus verfügbaren Ausgangsrohstoffen wie z.B. feinkörniges Niob- und Tantalpulver, Al2O3-Pulver und Al2O3-Grobkörnungen als Ausgangsmaterial vorsynthetisiert werden.
Auf der Basis von geeigneten Packungsmodellen werden Korngrößenverteilungen für die entsprechenden Urformgebungsverfahren im Teilprojekt TP2 bereitgestellt. Die erzeugten nicht thermisch behandelten Körper werden in den Teilprojekten TP2 und TP6 mit unterschiedlichen drucklosen, druckunterstützten bzw. stromunterstützten Sinterbehandlungen zu grobkörnigen, refraktären Verbundwerkstoffen überführt.
Die Vorsynthese der Körnung erfolgt über unterschiedliche Herstellungsrouten und Sinterzustände, die die Korngeometrie (polyedrisch, sphärisch, beliebig einstellbare Geometrie) und die Oberflächenbeschaffenheit des Korns (Morphologie und Chemie) sowie die entstehenden Korngrößenverteilungen als Funktion des Volumenanteils der Keramik und des Metalls erheblich beeinflussen.
Projektbearbeiter
Dr.-Ing. Tilo Zienert
Postdoktorand am Institut für Keramik, Feuerfest und Verbundwerkstoffe der TU Bergakademie Freiberg
Postadresse: TU Bergakademie Freiberg / IKFVW / Agricolastr. 17 / 09599 Freiberg; Besucheradresse: ZeHS / Winklerstr. 5 / 09599 Freiberg, Zimmer ZeHS-2.108
+49 3731 39 1546
tilo [dot] zienert [at] ikfvw [dot] tu-freiberg [dot] de
Leiter der Forschungsgruppe FOR 3010 am Institut für Keramik, Feuerfest und Verbundwerkstoffe der TU Bergakademie Freiberg
Refraktäre Verbundwerkstoffe mittels Vibrationsgießens, Druckschlickergießens sowie kalt-isostatischen Pressens auf der Basis druckloser Sinterung
Das Teilprojekt TP2 erforscht die Herstellung von funktionalen, refraktären, grobkörnigen Verbundwerkstoffen basierend auf den vorsynthetisierten, refraktären Körnungen aus dem Teilprojekt TP1.
Probekörper mit einer breiten Partikelgrößenverteilung zwischen 1 µm und 5 mm werden mittels nachfolgender Formgebungsverfahren hergestellt:
- Vibrationsgießen,
- Druckschlickergießen,
- kalt-isostatisches Pressen.
Die Rheologie und das Fließverhalten der Gießmassen bzw. Pressgemengen werden stark von der Korngröße, Korngrößenverteilung, Kornform, der spezifischen Oberfläche sowie deren Verformbarkeit bei Raumtemperatur beeinflusst.
Projektbearbeiter
Dr.-Ing. Marie Oppelt
Postdoktorand am Institut für Keramik, Feuerfest und Verbundwerkstoffe der TU Bergakademie Freiberg
Postadresse: TU Bergakademie Freiberg / IKFVW / Agricolastr. 17 / 09599 Freiberg; Besucheradresse: Rammler-Bau / Leipziger Str. 28 / 09599 Freiberg, Zimmer RAM-112a
+49 3731 39 4227
marie [dot] oppelt [at] ikfvw [dot] tu-freiberg [dot] de
Mechanische Hochtemperatureigenschaften und Schädigung refraktärer Verbundwerkstoffe
Ziel des Teilprojektes TP3 ist die Untersuchung der mechanischen Eigenschaften und des Schädigungsverhaltens grobkörniger refraktärer Verbundwerkstoffe bis zu hohen Temperaturen. Refraktäre Verbundwerkstoffe auf der Basis von grobkörnigem Al2O3 und den refraktären Metallen Nb und Ta werden im TP2 durch Vibrationsgießen, Druckschlickergießen und kalt-isostatisches Pressen und anschließendes (druckloses) Sintern bzw. durch druck- und feldunterstütztes Sintern im TP6 hergestellt.
Die temperaturabhängigen mechanischen Eigenschaften (Druckfestigkeit, Kriech- und Relaxationsverhalten) sowie die bruchmechanischen Eigenschaften der durch die unterschiedlichen Herstellungsrouten erzeugten Proben werden bis zu hohen Temperaturen (max. 1800 °C) untersucht. Neben den mechanischen Eigenschaften stehen auch die Schädigungmechanismen im Fokus der Untersuchungen. Ziel ist es hier, zunächst die auftretenden Schädigungsmechanismen sowie deren Kinetik zu erforschen. Darüber hinaus sollen Unterschiede in den Schädigungsmechanismen bedingt durch die unterschiedlichen Herstellungs-/Sinterstrategien aufgezeigt und erforscht werden. Dabei geht es insbesondere darum, verschiedene Mechanismen der Rissinitiierung in der keramischen Komponente, plastische Verformung in den refraktären Metallen oder Versagen der Grenzflächen Keramik/Metall voneinander zu trennen. Neben dem Mechanismus der Rissinitiierung ist auch das Verständnis des Risswachstums von großem Interesse insbesondere mit Blick auf den Verlauf des Risspfades, die Risswachstumsgeschwindigkeit bzw. mögliche Dissipationsmechanismen in Form von Rissverzweigung an Keramik/Metall Grenzflächen.
Projektbearbeiter
Gökhan Günay, M.Sc.
Doktorand am Institut für Werkstofftechnik
Gustav-Zeuner-Str. 5 / 09599 Freiberg / Haus Metallkunde, Zimmer C 0.03
49 3731 39 4158
goekhan [dot] guenay [at] iwt [dot] tu-freiberg [dot] de
Schnelle, physikalisch-basierte Algorithmen zur Modellierung der Wärmebehandlung Refraktärer Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde im Zusammenhang mit deren Eigenschaften
Das Teilprojekt TP4 soll schnelle, physikalisch-basierte Algorithmen zur Modellierung der Wärmebehandlung refraktärer Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde im Zusammenhang mit deren Eigenschaften erarbeiten. Als pulvermetallurgischer Prozess dient ein zweistufiger Herstellungsprozess mit Vorsynthese des Verbundpulvers aus Ta und Al2O3, dessen Grünlinge durch Vibrationsgießen vor dem jeweiligen Sintern hergestellt und anschließend drucklos gesintert werden. Durch mechanisches Brechen der gebrannten Proben nach der Vorsynthese entsteht dabei das Verbundpulver für das Fertigsintern. Das zu entwickelnde Hybridmodell soll letztlich zur schnellen Auslegung des Prozesses bzw. von Teilprozessen in der Lage sein.
Durch eine bessere Abbildung der realen Pulvergeometrie, Pulververteilung, Kontaktbedingung und thermodynamischen Verhältnissen soll ein vertieftes Verständnis derzeit ungeklärter Teilmechanismen, die u.a. aus dem Einfluss von Pulverform und inhomogenem Werkstoffzustand herrühren, erreicht werden. Durch den zweistufigen Prozess muss final der Zusammenhang von Vorsynthese-Bruchverhalten-Bauteilsintern-Eigenschaften experimentell-theoretisch geschaffen werden. Zielgrößen sind verbesserte Modelle für die Vorhersage des Schwindungsverhaltens, der Porengröße und Porengrößenverteilung sowie der Sinterstruktur und der Sinterspannungen.
Projektbearbeiter
Dipl.-Ing. Max Weiner
Doktorand am Institut für Metallformung der TU Bergakademie Freiberg
Bernhard-von-Cotta-Str. 4 / 09599 Freiberg / Haus Formgebung, Zimmer 1.111
+49 3731 39 2952
max [dot] weiner [at] imf [dot] tu-freiberg [dot] de
Grenzflächenanalyse und -design in Pulvern, Grünkörpern und Bauteilen als Funktion druckloser und druckunterstützter Sinterung
Das Teilprojekt 5 hat die nanoskalige Aufklärung der Gefügestruktur zur Aufgabe. Hierbei sollen insbesondere Korn- und Phasengrenzflächen in von den Teilprojekten 1, 2, 3 und 6 erhaltenen Proben mittels der komplementären Methoden Atomsondentomographie und Transmissionselektronenmikroskopie analysiert werden. Ziel ist die Untersuchung von sich zwischen Metall und Oxid bildenden Grenzflächenphasen sowie der Identifikation und Quantifizierung an Grenzflächen segregierender Elemente. Diese Erkenntnisse werden eine Optimierung der Prozessparameter Temperatur, Kompressions- und Sauerstoffpartialdruck erlauben. Im weiteren Verlauf des Projekts soll erforscht werden, inwiefern durch die Wahl geeigneter Dotierungselemente eine Beeinflussung der Korngrenzenkohäsion und somit der mechanischen Eigenschaften der Werkstoffverbunde möglich ist. Hierdurch soll in Zusammenarbeit mit den anderen Teilprojekten ein gezieltes Design der Grenzfläche angegangen werden.
Für diese Untersuchungen werden mittels fokussiertem Ionenstrahl (engl. focused ion beam, FIB) in einem Rasterelektronenmikroskop Atomsondenspitzen mit Spitzenradien <100 nm hergestellt und in der Atomsonde durch Feldverdampfung analysiert. Darüber hinaus steht neben klassischen Charakterisierungsmethoden wie energiedispersiver Röntgenspektroskopie und Elektronenrückstreubeugung auch Transmissions-Kikuchi-Beugung zur Verfügung, welche eine Identifizierung von Phasen und Kornorientierung mit einer Auflösung von wenigen Nanometer ermöglicht. Somit decken die verfügbaren Methoden die Bandbreite der nanoskaligen Gefügeanalyse hinsichtlich Kristallografie und der chemischen Zusammensetzung ab.
Projektbearbeiter
Michael Eusterholz, M.Sc.
Doktorand am Institut für Angewandte Materialien - Werkstoffkunde (IAM-WK) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT)
Campus Süd / Engelbert-Arnold-Straße 4 / 76131 Karlsruhe / Gebäude 640, Zimmer 0-406
+49 721 608 23195
michael [dot] eusterholz [at] kit [dot] edu
B.Tech. M.Tech. Reshma Sonkusare, PhD
Postdoktorandin am Institut für Angewandte Materialien - Werkstoffkunde (IAM-WK) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT)
Campus Nord / Hermann-von-Helmholtz-Platz 1 / 76344 Eggenstein-Leopoldshafen / Gebäude 640, Zimmer 0-454
+49 721 608 26960
reshma [dot] sonkusare [at] kit [dot] edu
Druck- und feldunterstützte Sinterverfahren refraktärer Verbundwerkstoffe und deren Einfluss auf die mikrostrukturellen und elektrischen Eigenschaften
Das Teilprojekt TP6 befasst sich mit der Analyse des Sinterverhaltens unterschiedlicher Ta-Al2O3- und Nb-Al2O3-Verbundwerkstoffe und dem Einfluss der Prozessparameter auf die mikrostrukturellen, elektrischen und mechanischen Eigenschaften. Das betrifft im ersten Schritt die Analyse des Verdichtungsverhaltens der Ta-Al2O3- und Nb-Al2O3-Ausgangspulver und darauf aufbauend die der grobkörnigen Verbunde. Dabei sind sowohl der Einfluss der Pulveranteile (Al2O3, Nb, Ta), als auch der Partikelgröße von Interesse. Es werden druck- (HIP) und feldunterstützte (FAST) Sinterverfahren angewendet und hergestellte Proben TP1 zur Weiterverarbeitung bereitgestellt.
Ein weiteres Ziel des Vorhabens ist die Herstellung elektrisch leitfähiger Verbundmaterialien über die Einstellung des Anteils der Refraktärmetalle Niob und Tantal. Die Aufgabe des TP6 besteht darin, die elektrische Leitfähigkeit der Verbundwerkstoffe in Abhängigkeit der Temperatur und des Anteils der refraktären Metalle Niob und Tantal, z.B. zur Bestimmung der Perkolationsgrenze, zu untersuchen.
Neben den elektrischen Eigenschaften spielen auch die mechanischen Eigenschaften der hergestellten, grobkörnigen Verbundwerkstoffe eine wichtige Rolle. Zur Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften werden die Biegefestigkeit und die Risszähigkeit ermittelt sowie die Bruchflächen zur Bestimmung von Versagensmechanismen fraktographisch nachuntersucht.
Projektbearbeiter
Bastian Kraft, M.Sc.
Doktorand am Institut für Angewandte Materialien - Keramische Werkstoffe und Technologien (IAM-KWT) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT)
Haid-und Neu-Straße 7 / 76131 Karlsruhe / Gebäude 07.21, 3.OG Gebäudeteil B, Zimmer 407.1
+49 721 608 47922
bastian [dot] kraft [at] kit [dot] edu
Thermodynamik und Phasendiagramme Refraktärer Verbundwerkstoffe
Das Teilprojekt TP7 erforscht die Thermodynamik und die Phasendiagramme der Refraktären Verbundwerkstoffe durch die Kombination von CALPHAD-Modellierungen mit ausgewählten thermodynamischen Schlüsselexperimenten.
Diese Experimente und Analysen werden auf der Grundlage der rechnerischen thermodynamischen Ergebnisse geplant und durchgeführt. Die Vorgehensweise soll das grundlegende Verständnis und die Planung für bestmögliche refraktäre Werkstoffkombinationen, Grenzflächendesigns und Prozessführungen ermöglichen.
Im Mittelpunkt der Arbeiten stehen zunächst die ternären Systeme Al-Ta-O und Al-Ta-O einschließlich der im Refrabund zentralen Werkstoffkombinationen Tantal-Al2O3 und Niob-Al2O3. Für diese Systeme werden analytische Beschreibungen der Freien Enthalpiefunktionen für alle festen und flüssigen Phasen mittels CALPHAD-Modellierungen entwickelt.
Projektbearbeiter
Julian Gebauer, M.Sc.
Doktorand am Institut für Angewandte Materialien - Angewandte Werkstoffphysik (IAM-AWP) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT)
Hermann-von-Helmholtz-Platz 1 / 76344 Eggenstein-Leopoldshafen / Gebäude 682, Zimmer 104
+49 721 608 28555
julian [dot] gebauer [at] kit [dot] edu