Thermo-mechanische Untersuchungen an Metall-Matrix-Verbundwerkstoffen auf Basis von grobkörnigen Magnesiumoxid-Partikeln

Graduiertenkolleg 2802, Teilprojekt 12, Projektnummer: 461482547

Das Graduiertenkolleg 2802 „Feuerfest Recycling: Ein Beitrag für Rohstoff-, Energie- und Klimaeffizienz in Hochtemperaturprozessen“ verfolgt das Ziel, innovative Wiederverwendungsmöglichkeiten für gebrauchte, kohlenstoffgebundene Feuerfestmaterialien aus der Stahlindustrie zu untersuchen. Eine der beiden Kernideen ist die Entwicklung neuartiger Metall-Matrix Verbundwerkstoffe (MMCs), welche recycelte, grobkörnige Magnesiumoxid-Partikel enthalten. Diese Verbundwerkstoffe sollen beispielsweise als funktionale, leitfähige und korrosionsbeständige Bauteile in der Aluminiumindustrie eingesetzt werden. Für diesen Zweck ist unter anderem auch eine Charakterisierung des mechanischen Verhaltens bei sehr hohen Temperaturen von bis zu 1000°C relevant. Im Rahmen des Teilprojektes 12 des Graduiertenkollegs wird eine derartige thermo-mechanische Charakterisierung der Verbundwerkstoffe vorgenommen.

Im Laufe der ersten Förderperiode (Januar 2023 – Dezember 2026) wurden vorrangig dicht-gesinterte MMCs auf Basis eines austenitischen Stahls mit hohen Volumengehalten an Magnesiumoxid (20 – 40%) untersucht. Am Zentrum für effiziente Hochtemperatur-Stoffumwandlung (ZeHS) wurden mit Hilfe einer elektro-mechanischen Prüfmaschine Hochtemperatur-Druckversuche im Temperatur-Bereich von 800 – 1100°C durchgeführt. Die Maschine verfügt über eine Schutzgaskammer, so dass die Versuche unter Argon-Atmosphäre stattfanden. Die Untersuchungen zeigten, dass die Verstärkung der austenitischen Matrix durch Magnesiumoxid-Partikel zu einer signifikanten Erhöhung des Kriechwiderstandes führte. Dabei war die Festigkeit umso höher, je höher der keramische Volumenanteil war. Zudem konnte nachgewiesen werden, dass der erhöhte Gehalt an nichtmetallischen Verunreinigungen im recycelten Magnesiumoxid-Pulver keine wesentlichen Änderungen des Verformungsverhaltens verursachte. Stattdessen fand die kriech-induzierte Verformung nahezu vollständig in der metallischen Matrix statt.

In der zweiten Förderperiode (Januar 2025 – Dezember 2028) sollen sowohl die zu untersuchende Materialpalette, als auch die experimentellen Methoden zur Charakterisierung der Mikrostruktur-Eigenschafts-Korrelationen erweitert werden. So werden die MMCs aus der ersten Förderperiode durch Ofenbehandlungen mit einer Oxidschicht versehen, die im Anwendungsfall einen deutlich höheren Korrosionswiderstand bietet. Zudem soll der Einfluss einer höheren Porosität auf das Hochtemperatur-Beanspruchungsverhalten der MMCs untersucht werden. Weiterhin werden vielversprechende MMCs auf Basis von Titan und recyceltem, kohlenstoffgebundenem Magnesiumoxid thermo-mechanisch charakterisiert. Methodisch werden die Versuche an der elektro-mechanischen Prüfmaschine um mikromechanische Versuche im Rasterelektronenmikroskop ergänzt. Beispielsweise soll mit Hilfe der Nanoindentation untersucht werden, inwiefern die Bildung von Titan-Karbiden das mechanische Verhalten der MMCs beeinflusst.