• Kraft, Bastian

Abstract

Technologischer Fortschritt, wachsender Anspruch an Prozesse und Bauteile und das stetige Streben nach optimierten Materialien führen zu einer fortwährenden Entwicklung neuer Werkstoffe mit maßgeschneidertem Eigenschaftsprofil. Vor allem in Hochtemperatur-Anwendungen herrschen extreme Umgebungsbedingungen, was massive Belastungen für Bauteile und Komponenten bedeutet. Beschleunigte (Inter-)Diffusionsvorgänge, chemische Reaktionen und Degradation sind nur wenige Faktoren, die bei hohen Temperaturen eine ausschlaggebende Rolle für die Bauteillebensdauer spielen.Aus diesem Grund befasst sich diese Arbeit mit einem ersten Ansatz neuartiger grobkörniger, refraktärer Verbundwerkstoffe für die Hochtemperaturanwendung. Dabei stehen neben kostengünstiger Produktion und Funktionalität auch die Anwendbarkeit in der Industrie im Fokus. In dieser Arbeit wurden zwei Aluminiumoxidpulver mit unterschiedlicher Partikelgrößenverteilung (d_{50} = 4 bzw. 95 μm) und die refraktären Metallpulver Niob (d_{50} = 37 μm) und Tantal (d_{50} = 32 μm) im trockenen Zustand gemischt und anschließend feld- und druckunterstützt mittels Field Assisted Sintering Technique (FAST) konsolidiert. Die Materialzusammensetzung variiert dabei zwischen 0 und 100 Vol.-% Metallgehalt. An diesen Materialien erfolgte eine Charakterisierung der mikrostrukturellen, mechanischen und elektrischen Eigenschaften bei Raumtemperatur. Zur Untersuchung von Grenzflächenreaktionen wurden Diffusionspaare hergestellt und mikroskopisch analysiert. Dabei ließen sich Fremdphasen entlang der Grenzflächen sowie Oxide im Ausgangspulver des verwendeten Nb nachweisen. Des Weiteren legen EDX-Untersuchungen nahe, dass sich nach dem Sintern eine Passivierungsschicht auf den refraktären Metallen ausbildet. Von besonderem Interesse war auch die Perkolationsgrenze, welche sowohl abhängig von der Partikelgröße des Al₂O₃ als auch dem verwendeten refraktären Metall war. Durch Verwendung des groben Aluminiumoxid-Pulvers konnte die Perkolationsgrenze im Vergleich zur Verwendung des feinen Al₂O₃um 7,5 Vol.-% Metallgehalt gesenkt werden, für die Niob-Verbundwerkstoffe von 17,5 auf 10 Vol.-% Metall und für die Tantal-Verbundwerkstoffe von 15 auf 7,5 Vol.-% Metall. Dieser Effekt konnte auf die mikrostrukturelle Besonderheit zurückgeführt werden, dass durch eine Änderung des Aspektverhältnisses der Metallpartikel duch axiale Druckausübung während des FAST-Prozess eine erhöhte Wahrscheinlichkeit zur Ausbildung eines elektrisch leitfähigen Netzwerks im Verbundwerkstoff besteht. Des Weiteren wurden prozessbedingte Anisotropien in der Mikrostruktur und eine Richtungsabhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit relativ zur Pressrichtung während des Sinterns festgestellt. Für ausgewählte Materialzusammensetzungen erfolgten die Bestimmung des E-Moduls sowie bruchmechanische Untersuchungen der Festigkeitsverteilung.Die hier untersuchten Materialien dienen als Grundlage für die Herstellung dichter Grobkörnungen für die Verarbeitung zu nahezu schwindungsfreien grobkörnigen, refraktären Verbundwerkstoffen mit geringer intragranularer und definiert einstellbarer intergranularer Porosität.

Topics

• Energy-dispersive X-ray spectroscopy
• sintering
• discrete element method