PRMs, partikelverstärkte Verbundwerkstoffe
Titanlegierungen weisen eine hohe spezifische Festigkeit und Steifigkeit auf, die für Leichtbauanwendungen geeignet sind. Keramische Verstärkungen wie SiC, B4C, TiC, TiB, TiB2 können jedoch die spezifische Steifigkeit und auch die Verschleißwiderstand verbessern.
Die Herstellung von Ti-SiC durch herkömmliche pulvermetallurgische Verfahren wie Mischen und Sintern, SPS oder Heißpressen führt jedoch zu hoher Porosität und ausgeprägter Silizidbildung. Die Heißextrusion von Pulvermischungen hat sich als das am besten geeignete Verfahren erwiesen, das zu vernachlässigbaren Reaktionen zwischen Ti und SiC und einer vollständigen Verdichtung führt.
ODS-Ag Kontaktwerkstoffe
Kontaktwerkstoffe müssen extremen Bedingungen aufgrund hoher thermischer und elektrischer Belastungen standhalten und müssen daher ein Bündel wichtiger Eigenschaften wie hohe Beständigkeit gegen Lichtbogenerosion, Beständigkeit gegen Schweißen, hohe Warmhärte und niedrige Kriechraten gewährleisten. Silberbasierte ODS-Werkstoffe können diese Anforderungen erfüllen, da die Matrix die hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit beisteuert und die Oxide zur Hochtemperaturstabilität des Gefüges beitragen. Die Werkstoffe werden durch interne Oxidation von RE-Metallen oder Leichtmetalllegierungen mit Ag-Matrix und anschließender mehrstündiger oxidierender Wärmebehandlung von dünnen Blechen hergestellt.
Es werden auch alternative Verarbeitungsmethoden untersucht, wie z. B. die gemeinsame Ausfällung von wässrigen Ag-Lösungen mit wässrigen RE-Metall-Lösungen zur Bildung von Verbundpulvern nach Zugabe geeigneter Fällungs- oder Reduktionsmittel. Die resultierenden Pulver sind leicht zu handhaben und müssen zudem unter oxidierenden Bedingungen wärmebehandelt werden, um die RE-Oxidbildung zu etablieren. Der Vorteil liegt in der enormen Verkürzung der Wärmebehandlungszeiten im Vergleich zum internen Oxidationsprozess.
WC/Ag Kontaktwerkstoffe
Verbundwerkstoffe auf der Basis von Wolframkarbid und Silber (WC/Ag) sind bekannte und weit verbreitete elektrische Kontaktwerkstoffe. Am häufigsten werden Infiltrationsverfahren für die Herstellung verwendet, da sie dem Mischen-Pressen-Sintern überlegen sind. Allerdings weist infiltriertes WC/Ag gewisse Inhomogenitäten und mehr oder weniger Porosität auf. Außerdem sind der Silbergehalt und die Partikelgröße von Wolframkarbid begrenzt. Daher wurden neue Methoden der stromlosen Abscheidung untersucht. Es wurden wässrige Lösungen mit verschiedenen Komplexbildnern für Silber wie Ammoniumhydroxid, Benzoesäure und Ammoniumacetat getestet. Es wurde festgestellt, dass die Verwendung wässriger Suspensionen von Wolframkarbid in Lösungen von Ammoniumhydroxid und Ammoniumbicarbonat die beste Beschichtung mit Silber aufweist. Die silberbeschichteten Wolframkarbidpulver wurden durch uniaxiales Kaltpressen und Flüssigphasensintern verdichtet. Das gesinterte WC/Ag wies eine deutlich höhere Homogenität auf als infiltrierte Produkte.
Die Forschung auf diesem Gebiet wird in Zusammenarbeit mit AC2T, dem österreichischen Kompetenzzentrum für Tribologie, Wr. Neustadt, Österreich, durchgeführt und konzentriert sich auf die Herstellung von Wolframkarbid-Verbundwerkstoffen in einer Ni- und Fe-basierten Matrix durch Sintern und Plasma-Lichtbogen-Transfer-Schweißen (PTA). Die Arbeit konzentrierte sich auf die Untersuchung der Reaktion zwischen den Bestandteilen und deren Verhinderung durch den Einsatz von Diffusionssperrschichten.
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Obwohl es sich bei W/Cu-Verbundwerkstoffen um ein "altes" technisches Verbundmaterial handelt, könnte es einige Probleme bei Anwendungen in extremen Umgebungen wie dem Divertormodul des ITER lösen.
W/Cu kombinieren die hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit von Kupfer mit dem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Wolfram. Aus diesem Grund könnten W/Cu-Verbundwerkstoffe verwendet werden, um funktional abgestufte Zwischenschichten zwischen den PFM-Plasmamaterialien und der Wärmesenke (CuCrZr) zu schaffen, um die thermischen Spannungen erheblich zu reduzieren und Delamination und Schäden zu vermeiden.
Das Konzept besteht darin, eine wenige mm dicke W/Cu-Zwischenschicht zu schaffen, bei der die W-Konzentration von der PFM-Seite zur CuCrZr-Seite hin abnimmt, während gleichzeitig die Cu-Konzentration zunimmt. FEM-Simulationen (in Zusammenarbeit mit dem Forschungszentrum Jülich, Dr. Pintsuk) zeigten, dass die Spannungen effektiv reduziert werden können. Die Zwischenschicht kann mit dünnen Lötfolien an das PFM und das Kühlkörpermaterial gelötet werden.
Die W/Cu-Zwischenschicht wird durch Sprühtrocknung geeigneter W- und Cu-Vorläufer hergestellt, gefolgt von einer Reduktion zum Metall unter H2-Atmosphäre, wodurch eine enorme homogene Verteilung der Bestandteile erreicht wird. Der Vorteil dieser Methode besteht in der Möglichkeit, Cu-reiche Verbundwerkstoffe (bis zu 90 % Cu) herzustellen, die im flüssigen Zustand gesintert werden können, ohne an Formstabilität zu verlieren.
Diese Arbeit und das Konzept wurden im Rahmen einer Zusammenarbeit zwischen der Gruppe und Ansaldo Ricerche S.p.A. und im Rahmen des IP EXTREMAT-Projekts (Vertrag NMP-CT-2004-500253) durchgeführt.
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ODS-Pt und ODS-Pt-Legierungen (z. B. ODS-PtRh10) können entweder durch pulvermetallurgische Verfahren wie Hochenergie-Kugelmischen/-mahlen von Pt- oder Pt-Legierungspulvern im sub-µm- und µm-Bereich zusammen mit nm-skaligen Oxiden wie Y2O3 oder ZrO2 hergestellt werden. Die Metallpulver werden nasschemisch hergestellt (siehe Forschungsschwerpunkt Rückgewinnung von Wertmetallen) und anschließend durch Entgasung und heißisostatisches Pressen verfestigt.
Alternativ kann ein homogenes Gemisch aus Edelmetallpulvern und Dispersoiden durch gleichzeitige Ausfällung von Y- oder Zr-Verbindungen zusammen mit Pt direkt aus wässrigen Pt-Lösungen und anschließender thermischer Umwandlung zu den Oxiden und Zersetzung des Edelmetallsalzes in den metallischen Zustand hergestellt werden.
Eine andere Methode erzeugt die Oxide durch innere Oxidation von Pt-Y-, Pt-Zr- bzw. komplexen Pt-Legierungen (z.B. Pt-La-Y-, Pt-Zr-La-Y- oder Pt-Hf-La... Legierungen). Untersucht werden die Einflüsse von Zusammensetzung, Temperatur, Zeit, Atmosphäre auf die Bildung und Größe der Verstärkungen für das interne Oxidationsverfahren. Die Werkstoffe nach der PM-Methode werden durch ihre mechanischen und thermischen Eigenschaften (Kriechverhalten) charakterisiert.