TP 8: Verdichtung mittels Spark Plasma Sintern

Hochdruckverdichtung neuer Hartstoffe des Maschinenbaus durch Spark Plasma Sintering

 

Motivation

Hartstoffe und Hartmetalle als Werkstoffe für Bohr- und Trenneinrichtungen des Maschinenbaus und verschleißresistente Bauteile müssen in der Regel bei sehr hohen Temperaturen (>1800°C) und Drücken gesintert werden. Dies ist erforderlich, um die Verdichtung des Gefüges und die damit einhergehende mechanische Eigenschaftsoptimierung zu erreichen. Die konventionellen Prozessrouten des Heißpressens oder Heißisostatischen Pressens haben jedoch in der Regel starkes Kornwachstum und die Bildung sekundärer (Korngrenzen-)Phasen während des Sinterns zur Folge. Auch ist die vollständige Verdichtung in der Regel nicht mit der erforderlichen Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit zu erreichen. Die gemessenen mechanischen Eigenschaften der Werkstoffe bleiben daher deutlich hinter den theoretisch erwarteten Werten zurück. Eine neue innovative Alternative zu den genannten konventionellen Heisspressverfahren stellt das „Spark Plasma Sintering“ (SPS, auch: Field Assisted Sintering, FAST) dar. In diesem Verfahren werden hohe Prozessdrücke und Temperaturen mit gerichteten Gleichstromimpulsen kombiniert. Die Pulvermischungen werden mit dieser Methode sehr stark sinteraktiviert und können bei hohem Druck aber vergleichsweise niedrigen Temperaturen vollständig verdichtet werden. Auf diese Weise ist die Grundlage für eine zuverlässige Prozesskontrolle zur Herstellung nanokristalliner und mikrokristalliner Werkstoffe gegeben. Die Methode hat ein sehr hohes Anwendungspotential und eröffnet völlig neue Anwendungsfelder für Carbide, Nitride und Boride und deren Verbundwerkstoffe im Maschinenbau.

 

Eigene Vorarbeiten 

In der Arbeitsgruppe bestehen langjährige Erfahrungen zum Heißpressen, heißisostatischen Pressen (HIP) und Gasdrucksintern von Hartstoffen und Hartmetallen. Mit diesen Methoden wurden z.B. Komplex-Karbide (MAX-Phasen) in den Systemen Nb-Sn-C, (Ti,Nb)-Al-C und (Ti,Hf)-In-C erfolgreich hergestellt und hinsichtlich ihrer Gefüge, Kristallstruktur, elektrischen und thermischen Eigenschaften charakterisiert. Mit der gleichen Vorgehensweise wurden auch die heterogenen Gleichgewichte und Phasenreaktionen in Siliciumnitrid-Titancarbonitrid Keramiken (Si3N4 –TiCxN1-x) vollständig aufgeklärt.

  • W. Chen, U. Anselmi-Tamburini, J.E. Garay, J.R. Groza, Z.A. Munir: Fundamental investigations on the spark plasma sintering/synthesis process, Materials Science and Engineering A394 (2005) 132-138.
  • M. W. Barsoum, I. Salama, T. El-Raghy, J. Golczewski, W. D. Porter, H. Wang, H. J. Seifert and F. Aldinger: Thermal and Electrical Properties of Nb2AlC, (Ti,Nb)2AlC, Ti2Al, Metallurgical and Materials Transactions A – Physical Metallurgy and Materials Science 33 (2002) 2775-2779.
  • M. W. Barsoum, J. Golczewski, H. J. Seifert and F. Aldinger: Fabrication and Electrical and Thermal Properties of Ti2InC, Hf2InC and (Ti,Hf)2InC, J. Alloys and Compounds 340 (2002) 173-176.

Ziele 

Als Ausgangsproben werden sinteraktive Reinstpulver und deren Mischungen eingesetzt. Es ist auch geplant, amorphe oder nanokristalline Precursor-Keramiken des Systems Al-Si-C-N als Ausgangsmaterialien einzusetzen (TP2). Die SPS-Methode erlaubt es, diese Proben sehr schnell aufzuheizen und mit Sinterzeiten im Minutenbereich zu verdichten. Die Prozess-Bedingungen können sehr flexibel variiert werden. Durch Variation von Pressdruck, Sinteratmosphäre, Gleichstromimpulsen und des hieraus resultierenden Temperaturprofiles können gezielt die Korngrößenverteilungen in den Materialien gesteuert werden. Eine sehr wichtige Option ist es, durch sehr schnelles Aufheizen und kurze Haltezeiten bei niedrigen Temperaturen (im Vergleich zum Heißpressen) das Kornwachstum zu behindern, heterogene Phasenreaktionen einzuschränken und somit dichte Materialien mit sehr feinkörnigen Gefügen herzustellen. In den Proben können daher Mikrostrukturen eingestellt werden, die sich weit entfernt vom thermodynamischen Gleichgewicht befinden und - im Vergleich mit konventionell gesinterten Proben - ein verbessertes oder auch völlig neuartiges Eigenschaftsprofil aufweisen. Bei der Verwendung von geeigneten Ausgangspulvern bietet die Methode auch neue Möglichkeiten, massive nanostrukturierte Formkörper mit Korngrößen kleiner als 20 nm Durchmesser reproduzierbar herzustellen. Dies ist mit konventionellen Methoden bisher nicht oder nur sehr unbefriedigend gelungen. 

Arbeitsprogramm

  1. Herstellung von Pulvermischungen durch Attritormischen oder Co-Fällung, Filtration und Trockung: In einem ersten Arbeitsschritt werden homogene Pulvermischungen des Grundmaterials und der Additive hergestellt. Die Teilchengrössenverteilung und die freie Oberfläche der reinen Ausgangspulver sowie der Pulvermischungen nach dem Attritormahlen werden detailliert untersucht. Gegebenenfalls werden weitere Prozessschritte zur definierten Einstellung der Partikelgrössenverteilung eingeführt (z.B. Sieben, Zentrifugieren, Sedimentieren).
  2. Spark Plasma Sinter Prozess: Die Pulvermischungen werden gesintert. Durch Variation des Sinterpogrammes werden die Proben verdichtet. Die wichtigsten Prozessparameter sind Druck (bis 250 kN), Temperatur (bis 2200°C), Gleichstrom (bis 10000 A) und Pulsrate / Pausendauer (1-255 ms / 0-255 ms). Zudem werden die Gasatmosphäre und das Heizprogramm (Heizraten und Abkühlraten, Haltezeiten) variiert. In diesem Vorhaben sollen durch Spark Plasma Sintern auch Formkörper hergestellt werden, die als vorverdichtete Augangsproben für weitere Hochdruckverfahren (Multi Anvil Cell, TP 2) eingesetzt werden.
  3. Probencharakterisierung: Die Proben werden mit Röntgenographie und elektronenmikroskopischen Methoden (REM, TEM in Kombination mit EDX) untersucht. Die Zusammensetzung der Proben und Einzelphasen wird mit Elektronenstrahl-Mikrosondenuntersuchungen bestimmt. Die mechanischen Eigenschaften werden durch Härteprüfungen, durch Zugprüfversuche bzw. 3-Punkt- und 4-Punkt Biegeversuche ermittelt. 

Interne und externe Kooperationen 

Innerhalb des FHP sollen vorverdichtete Materialien aus der Spark-Plasma-Sintering-Anlage sowie heißgepresste Ausgangsmaterialien in TP 2 und 3 für weitere Hochdruckbehandlungen Verwendung finden. Zur Analyse von Gefüge und Mikrostruktur sind der Einsatz von XRD und TEM unverzichtbar (TP 7). Tests der Materialien und Bauteile unter praxisnahen Bedingungen werden in den TP 5 und 6 vorgenommen.

Trivia

Bereich: Institut für Werkstoffwissenschaft
Teilprojektleiter: Prof. Dr. H.J. Seifert
Bearbeiter: Milan Dopita
Das Projekt endete vorzeitig und wurde zum Teil in TP 6 integriert.