Mechanisches Hochtemperaturverhalten von Nb–Al₂O₃-Verbundwerkstoffen
DFG-Forschungsgruppe 3010 REFRABUND – 416817512
Die von der DFG geförderte Forschungsgruppe REFRABUND (Leitung Herr Prof. Dr.-Ing. C.G. Aneziris) umfasst sieben eng miteinander verknüpfte Teilprojekte an der TU Bergakademie Freiberg und am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Ziel der Forschungsgruppe ist es, wissenschaftliche Grundlagen für eine neue Generation grobkörniger, multifunktionaler refraktärer Verbundwerkstoffe für großvolumige Schlüsselbauteile in Hochtemperaturprozessen zu schaffen. Hierzu werden Werkstoffkonzepte untersucht, die die Hochtemperatur- und chemische Beständigkeit refraktärer Keramiken mit dem Verformungsvermögen refraktärer Metalle verbinden. Ein wesentliches Forschungsziel besteht darin, die Zusammenhänge zwischen den Ausgangsmaterialien, den Herstellungs- und Sinterrouten, der resultierenden Mikrostruktur und dem thermomechanischen Verhalten der Verbundwerkstoffe grundlegend zu verstehen.
Im Teilprojekt 3 werden Nb–Al₂O₃-Verbundwerkstoffe als Modellsystem hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen untersucht. Im Mittelpunkt stehen die Einflüsse der Herstellungsroute, der Aluminiumoxid-Ausgangsstoffe, der Phasenanteile sowie der Porosität und Phasenanordnung auf das mechanische Verformungs- Schädigungsverhalten. Ziel ist es, die Zusammenhänge zwischen Herstellung, Mikrostruktur und mechanischem Hochtemperaturverhalten aufzuklären und damit eine wissenschaftliche Grundlage für die gezielte Auslegung refraktärer Metall-Keramik-Verbundwerkstoffe für unterschiedliche Einsatzbedingungen zu schaffen.
Am Institut für Werkstofftechnik (IWT) werden Proben aus Nb–Al₂O₃- und Ta-Al2O3-Verbundwerkstoffen untersucht, die in den herstellungsorientierten Teilprojekten der Forschungsgruppe über unterschiedliche Herstellungs- und Sinterrouten erzeugt wurden. Das untersuchte Werkstoffspektrum umfasst gegossene, extrudierte, kaltisostatisch gepresste und mittels Field Assisted Sintering Technology (FAST) konsolidierte Verbundwerkstoffe. Zusätzlich wurden die Nb/Al₂O₃-Phasenanteile und die eingesetzten Aluminiumoxid-Ausgangsstoffe variiert. Dadurch stehen Werkstoffe mit deutlich unterschiedlichen Porositätszuständen, Phasenanordnungen und mikrostrukturellen Eigenschaften für die mechanische Charakterisierung zur Verfügung.
Für die Untersuchung des mechanischen Hochtemperaturverhaltens wurde die Hochtemperaturprüftechnik des ZeHS eingesetzt. Unter Druckbeanspruchung wurden quasistatische Druckversuche sowie Spannungsrelaxations- und Kriechversuche unter Schutzgasatmosphäre bei Temperaturen bis 1500 °C durchgeführt. Ergänzende Untersuchungen mittels Licht- und Rasterelektronenmikroskopie einschließlich EDS-Analysen dienen der Charakterisierung der Mikrostruktur und der Bewertung beanspruchungsbedingter Gefügeveränderungen.
Die bisherigen Ergebnisse zeigen einen deutlichen Einfluss der Temperatur und der durch die unterschiedlichen Herstellungsrouten erzeugten Mikrostrukturen auf das mechanische Verhalten. Mit steigender Temperatur nimmt das erreichbare Spannungsniveau im Allgemeinen ab, während die Verformungsfähigkeit zunimmt. Bei porösen, drucklos gesinterten Werkstoffen können neben der Verformung der metallischen Phase auch Porenschließen und Verdichtung wesentlich zur Gesamtverformung beitragen. Druckunterstützt gesinterte Verbundwerkstoffe erreichen höhere Spannungsniveaus. Die Untersuchungen zeigen jedoch, dass das mechanische und zeitabhängige Hochtemperaturverhalten nicht allein durch die Gesamtporosität bestimmt wird. Vielmehr wird die Werkstoffreaktion wesentlich durch das Zusammenwirken von Herstellungsroute, Porenstruktur, Phasenanteil und lokaler Phasenanordnung beeinflusst.
Begleitende mikrostrukturelle Untersuchungen vor und nach ausgewählten mechanischen Versuchen dienen der Analyse der während der Hochtemperaturbeanspruchung auftretenden Gefügeveränderungen. Im Mittelpunkt stehen dabei insbesondere Porenschließen und Verdichtung, lokale Schädigungsprozesse sowie der Einfluss unterschiedlicher Phasenanordnungen auf das makroskopisch beobachtete Verformungsverhalten.
Projektleitung und Kontakt
Projektleitung: biermann [at] iwt [dot] tu-freiberg [dot] de (Prof. Dr.-Ing. habil. H. Biermann)
Kontakt: Goekhan [dot] Guenay [at] student [dot] tu-freiberg [dot] de (Gökhan Günay), weidner [at] ww [dot] tu-freiberg [dot] de (PD Dr.-Ing. Habil Anja Weidner)
Refraktärer Nb-Al2O3-Verbundwerkstoff: EBSD-Orientierungskarten der fein- und grobkörnigen Al₂O₃-Bereiche verdeutlichen die ausgeprägten Unterschiede in der lokalen Gefügeausbildung. Bei Nutzung des feinkörnigen Al₂O₃- bildet die Keramik ein durchgängiges Netzwerk, während die Al₂O₃-Körner bei dem grobkörnigen Al₂O₃ in die Metallmatrix eingelagert sind.
