Verbundwerkstoffe - Institut für Fertigungstechnologie keramischer

Transcrição

Praktische Übungen: MSc Spezialisierungsfach
„Faserverbundwerkstoffe: Herstellung und Charakterisierung“
Verbundwerkstoffe I SS15
Institut für Fertigungstechnologie keramischer Bauteile, Universität Stuttgart
Einführung
Seite 1
Verbundwerkstoffe – Warum?
Einflussfaktoren auf die mechanischen Eigenschaften des Verbundes,
Bedingungen für eine optimale Nutzung der Fasereigenschaften
Adhäsion:
Benetzungsverhalten
während der
Herstellung
Mechanische Eigenschaften
der Faser
Ziel:
verbesserte Leistungsfähigkeit
des Verbundes gegenüber dem
monolithischen Werkstoff durch
Nutzung der Fasereigenschaften
maßgeschneiderte
Faser / Matrix
Grenzfläche
Mechanische Eigenschaften
des Matrix-Werkstoffes
Geometrie:
Faser-Länge,
- Gehalt
- Architektur
Kompatibilität:
chemisch und
thermophysikalisch
Einführung
Seite 2
Verbundwerkstoffe – Einteilung nach Matrices
Verbundwerkstoffe mit Polymermatrix (Polymer Matrix Composites – PMC)
Einlagerung von Partikeln hauptsächlich zur Erhöhung der Funktionalität
(thermo-/elektro-physikalisch, chemische Beständigkeit), aber auch aus
fertigungstechnischen Gründen (Verarbeitbarkeit)
Faserverstärkung zur Erhöhung der Festigkeit und des E-Moduls
Verbundwerkstoffe mit metallischer Matrix (Metal Matrix Composites – MMC)
Einlagerung von Partikeln und Fasern vor allem in Leichtmetallmatrices zur
Erhöhung der Festigkeit und des E-Moduls besonders bei erhöhten Temperaturen
Verbundwerkstoffe mit keramischer Matrix (Ceramic Matrix Composites – CMC)
Einlagerung von Partikeln und Fasern zur Erhöhung der Schadenstoleranz
(‚Quasi-duktiles Bruchverhalten‘)
Je nach Matrix unterschiedliche Motivation
für die Einbringung einer Verstärkungsphase
Einführung
Seite 3
Verbundwerkstoffe – Einteilung nach Matrices
Beispiele
Matrix
PMC
MMC
CMC
Einsatztemperatur [°C]
Verstärkungsphase
Epoxy
Glasfasern
Phenole
Kohlenstofffasern
Polyimide
Aramidfasern
Aluminium
Kohlenstofffasern
Titan
SiC–Partikel
Magnesium
Al2O3–Fasern
(Si)SiC
Kohlenstofffasern
Al2O3
Al2O3–Fasern
Si3N4
SiC–Fasern
RT
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
Maßgeschneiderte Verbundwerkstoffe für jeden
Temperaturbereich
Einführung
Seite 4
Verstärkungselemente für Verbundwerkstoffe
Einteilung
Verstärkungselemente
Fasern
Teilchen
zur Steigerung der Härte und Festigkeit in
Thermoplasten: Talkum, Glaskugeln, Kaolin, ...
zur Steigerung der mechanischen und
tribologischen Eigenschaften in (Leicht-)
Metallmatrices: SiC, Al2O3, TiC, ...
zur Steigerung der Schadenstoleranz in
Keramiken (ZTC – Zirconia toughened
Ceramics -> ZTA Zirconia Toughened
Alumina): Nutzung der spannungsinduzierten
polymorphen Umwandlung von ZrO2
PMC
MMC
CMC
zur Steigerung der mechanischen
Eigenschaften in thermoplastischen und
thermoduren Harzmatrices: Kurz- und
Langfasern, Gewebe
zur Steigerung der mechanischen
Eigenschaften (Festigkeit, Kriechneigung)
in (Leicht-)Metallmatrices: Kurz- und
Langfasern, Gewebe
zur Erhöhung der Schadenstoleranz in
Keramiken: Kurz- und Langfasern, Gewebe,
Whisker
Einführung
Seite 5
Charakteristische Eigenschaften von Fasern
geringer Durchmesser im Bezug auf die Korngröße
Dieser „Größeneffekt“ erlaubt eine Erhöhung der Festigkeit im Vergleich zum
monolithischen Werkstoff, da ein geringer Durchmesser die Wahrscheinlichkeit
eines rissauslösenden Fehlers reduziert.
hoher Formfaktor, d.h. Verhältnis Länge zu Durchmesser l/d
Große Außenfläche ermöglicht hohen Spannungsübertag von Matrix auf die
hochmodulige Faser im Verbundwerkstoff.
hohe Flexibilität
Charakteristische Eigenschaft sehr dünner, hochmoduliger Strukturen.
Ermöglicht eine große Bandbreite an Verfahrenstechniken in der
Verbundwerkstoffherstellung.
Einführung
Seite 6
Anforderungen an Hochleistungsfasern (High-Performance-Fibers)
• high strength and modulus
• long term thermochemical stability
• microstructural and mechanical stability
• high temperature resistance (in air > 1200 °C)
• high creep resistance
• ability for textile processing
• sufficient flexibility (for preform manufacturing)
Oxide, Non-Oxide Fibers and Fiber Coatings
(Nextel, Tyranno, etc)
Kohlenstofffaser nicht!!
Einführung
Seite 7
Mechanische Eigenschaften verschiedener Fasertypen
7000
Torayca T1000GB
Tenax XMS
Tenax IMS 65
6000
SCS-Ultra
Tenax IMS 60
Torayca M30SC
Zugfestigkeit [MPa]
5000
Tenax UTS 5731
Tenax UMS
40UMS 45
Tenax
Torayca T400HB
Tenax HTS 40
4000
S-Glas
Quartzel
Basalt
E-Glas
Kevlar 29Kevlar 49
3000
Torayca M55J
Torayca M60JB
Wolfram
SCS-6
Tenax HTA 40
SCS-9A
Hy-Bor SCS
Torayca T300
Tyranno ZMI
Tyranno
Tyranno
S LoxM
Hi Nicalon
Nextel 610
Hi-Nicalon Type-S
Tyranno SA
1.4301 0,06mm
Nextel 720
Nextel
Nextel440
550
2000
Nextel 312
Saffil
1000
0
0
100
200
300
400
500
600
700
E-Modul [GPa]
Einführung
Seite 8
Mechanische Eigenschaften verschiedener Fasertypen
4000
Torayca T1000GB
Tenax XMS
Tenax IMS 65
3500
Torayca M30SC
Tenax IMS 60
Spezifische Zugfestigkeit [MPa*cm³/g ]
3000
Tenax UTS 5731
2500
Tenax UMS 40
Tenax UMS 45
Torayca
T400HB
Tenax
HTS
40
Tenax HTA 40
Kevlar 29
2000
Kevlar 49
Torayca M55J
Torayca M60JB
Torayca T300
SCS-Ultra
S-Glas
Quartzel
1500
Hy-Bor SCS
Tyranno
S ZMI
Tyranno
Tyranno
LoxM
SCS-9A
Basalt
E-Glas
SCS-6
Hi Nicalon
1000
Nextel 610
Nextel
550
Nextel
440
Nextel
312
Nextel 720
500
Hi-Nicalon
Type-S
Tyranno
SA
Saffil
1.4301 0,06mm
Wolfram
0
0
50
100
150
200
250
300
350
Spezifischer E-Modul [GPa*cm³/g]
Einführung
Seite 9
Cost of technical reinforcement fibers
various sources, 2010/2013
Carbon Fibers
polymer based (C, Ti, Si)
Alumina based
CVD SiC
monofilaments
Einführung
Seite 10
Überblick Fasern
- Eigenschaften-
Einführung
Seite 11
Klassifizierung der Verbundwerkstoffe mit metallischer Matrix
Verbundwerkstoffe mit metallischer Matrix
Endlos-/
Langfaserverstärkte MMC
Kurzfaser-/
Whiskerverstärkte MMC
Partikelverstärkte MMC
Einführung
Seite 12
Vorteile von metallischen Verbundwerkstoffen
Gegenüber reinen Metallen:
• Gewichtsreduzierung (spezifische Festigkeit und Steifigkeit)
• Erhöhung der Streckgrenze und der Zugfestigkeit bei RT und erhöhter
Temperatur unter Beibehaltung einer Mindestduktilität bzw. – zähigkeit
• Erhöhung der Kriechbeständigkeit bei erhöhten Einsatztemperaturen im
Vergleich zu konventionellen Legierungen
• Erhöhung der Dauerfestigkeit besonders bei höheren Temperaturen
• Verbesserte Verschleißbeständigkeit
• Reduzierung der thermischen Ausdehnung
Gegenüber PMC:
• Höhere Festigkeiten (Zug- und Druck-), Verformbarkeit und Zähigkeit
• Höhere Einsatztemperaturen
• Bessere elektrische und/oder thermische Leitfähigkeit
• Bessere mechanische Eigenschaften quer zur Faserrichtung
• Möglichkeit zum Schweißen und Löten, dadurch
• Einfachere Einbindung in metallische Strukturen
• verbesserte Strahlungsbeständigkeit (UV, Laser, nuklear, etc.)
source: N. Chawla and K. K. Chawla, Metal Matrix Composites, New York: Springer, 2006.;K.U: Kainer, Metallische Verbundwerkstoffe, DGM, Wiley-ch
Einführung
Seite 13
MMC - mechanische Eigenschaften
Eigenschaftsspektrum von Partikel- (PRM), Kurzfaser- (SFRM) und Langfaser- (CFRM/UD) Al- MMC im Vergleich
Al- Leg.
(Referenz)
PRM
SFRM
CFRM/UD1
Dichte in g/cm3
2,7-2,8
2,6-3,2
2,4-3,1
2,2-3,2
E- Modul in GPa
69-75
90-250
80-120
150-450
Festigkeit in MPa
20-600
300-1000
200-600
500-1800
“Duktilität”
++
- /o
--
--
Temperaturfestigkeit
- /o
- /o
+
++
Ermüdungsfestigkeit
-
+
o/+
++
Verschleißfestigkeit
--
+/++
+
o/+
WLF5 in W/m K
100-240
200-7002
100-180
100-8003
WAK4 in 10- 6/K
18-23
5-18
14-18
0-10
Kosten
++
- /+
- /o
--
Formgestaltung
++
o/+
o
-
Werkstoff
1
unidirektionelle Verstärkung, Eigenschaften in Faserrichtung
für SiC- bzw. Diamant- Partikel
3 für Al O - bzw. Graphit- Fasern
2 3
4 WAK: WärmeAusdehnungsKoeffizient
5 WLF: WärmeLeitFähigkeit
2
Quelle: Handbuch Konstruktionswerkstoffe
Einführung
Seite 14
MMC - mechanische Eigenschaften
Leistungsindizes (Beispiele) zur Bewertung von Al- MMC im Vergleich zu je einer unverstärkten Al- und Ti- Legierung (nach Ashby, Shercliff 1994)
Werkstoff
Eigenschaft
Alu.- Leg. 6061(AlMg1SiCu)- T6
MFRM 1
6061/B/50CF
PRM 2
AlSi/SiC/70p
Titan- Leg. Ti6Al4V
Referenz
Dichte ρ in g/cm3
2,7
2,7
3,1
4,43
E- Modul E in GPa
70
235
210
114
Festigkeit 3 σ in MPa
335
1100
500
900
WAK 4 α in 10- 6/K
23,4
5,8
6
8,6
WLF 5 λ in W/m K
168
n. a.
200
6,7
Leistungsindex (M)
Referenz
E/ρ Zugstab - leicht und steif
25,9
87 (+236 %)
68 (+163 %)
25,7 (-)
E1/3/ρ Biegebalken - leicht und steif
1,53
2,29 (+50 %)
1,92 (+25 %)
1,09 (- 29 %)
σ/ρ Zugstab - leicht und fest
124
407 (+228 %)
161 (+30 %)
203 (+63 %)
σ1/2/ρ Biegebalken - leicht und fest
6,78
12,3 (+84 %)
7,21 (+6 %)
6,77 (-)
λ/α min. Wärmeverzug
7,17
n. a.
33,3 (+364 %)
0,78 (- 90 %)
1
MFRM: Monofilament- MMC (monofilament reinforced metal; Aufbau & Verhalten ähnlich wie bei CFRM)
PRM: Partikel- MMC (particle reinforced metal)
3 Streckgrenze (≈ Bruchfestigkeit bei auserwählten MMC- Beispielen)
4 WAK: WärmeAusdehnungsKoeffizient
5 WLF: WärmeLeitFähigkeit
2
Quelle: Handbuch Konstruktionswerkstoffe
Einführung
Seite 15
Vergleich PMC – MMC mechanische Eigenschaften
Faservolumengehalt: 50 %
Quelle: Composite Materials, D. Gay and S. V. Hoa; CRC Press, Second Edition
Einführung
Seite 16
Mechanische Eigenschaften - Vergleich verschiedener Werkstoffe
Quelle: Fiber reinforced Composites, P.K. Mallick; CRC, Third Edition
Einführung
Seite 17
Mechanische Eigenschaften metallischer Verbundwerkstoffe
Quelle: Metallische Verbundwerkstoffe, K. U. Kainer, DGM
Einführung
Seite 18
Anwendungsbeispiele Luft- und Raumfahrt
Antennenausleger des Hubble Teleskops
Kohlenstofffaser (Pech) verstärktes 6061 Aluminium;
hergestellt mittels Diffusion bonding; Länge: 3,6 m
- Leichtbau
- Hoher E-Modul und geringe thermische Ausdehnung
ermöglichen genaue Antennenpositionierung
- Signalübertragung durch exzellente elektrische
Leitfähigkeit
MMC Ausleger am Hubble Teleskop
C-Faserverstärkter MMC-Ausleger
Courtesy The following article appears in the journal JOM, 53 (4) (2001), pp. 14-17
Einführung
Seite 19
Space Shuttle Orbiter - Druckstreben
SELECTION CRITERIA:
high axial specific strength and stiffness
tailorable properties and dimensions
MATERIAL:
6061/B/50f produced by diffusion bonding
via the foil-fiber-foil process
tubes vary from 4-14 plies,
25-92 mm diameter and 0.6-2.3m long
BENEFITS:
Weight saving 145 kg per shuttle orbiter compared
Al
BACKGROUND:
243 tubes of 6061/B/50f are used in each shuttle
orbiter:
frame stabilizing struts, mid-fuselage main frame,
rib truss members, nose landing gear and
drag brace support
source U.S. Air Force/NASA
Source MMC-assess
Einführung
Seite 20
- Anwendungsbeispiel über PM-Route; Partikelverstärkung (PRM);
isotrope Eigenschaften Turbinenschaufeln für Flugtriebwerken
Weight Saving 500 g/vane
Cost saving 15 % vs SPF DB Ti6-4
FORGES DE BOLOGNE
Groupe Manoir Industries
Einführung
Seite 21
- Anwendungsbeispiel über PM-Route; Partikelverstärkung (PRM); isotrope Eigenschaften Rotoranlenkung aus AA 2009/SiC (Dartal 15A®)
FORGES DE BOLOGNE
Quelle:
Forges de Bologne, Manoir
Industries, Frankreich
Einführung
Seite 22
Anwendungsbeispiele - Automobil
Light metal crankcase; particle reinforcement of cylinders and bedplates
Nikasil®:
Heterogeneous solutions
cast iron & AlSi bushings (Silitec®)
galvanic Ni + SiC
particles
Monolithic solutions
AlSi17Cu4Mg (Alusil®)
hypereutectic alloy
Quasi-monolithic solutions
preform infiltration (Lokasil®)
& various coatings
acc: P. Stingl, CeramTec AG: Keramik im Automobil - Vision
oder Wirklichkeit. In: „Technische Keramik i. d. Praxis“,
Seminarreihe 2005. Selb : Verb. d. keram. Industrie, 2005.
20 m
Lokasil II®: squeeze casting
of Si cylinder liner preform
acc: Kolbenschmidt Pierburg AG,
Neckarsulm
Lokasil® bedplate (particle
or fiber/particle preform)
Reinforced piston rods and piston; short fiber or particle reinforcements
acc: Kolbenschmidt AG, 1992
Piston, ZC71/SiC/12p ;
microstructure after
forging
acc: Mahle AG, Stuttgart
Process: stir casting of billets,
hot extrusion and die-forging.
acc: V. M. Kevorkijan: Mg MMC Closed Die Forgings for Automotive Applications. Am. Ceram. Soc. Bull., Feb. 2004
Piston, 20 %vol. Saffil
(δ-Al2O3) short fiber
reinforced aluminium
Einführung
Seite 23
Anwendungsbeispiele - Automobil
4‘‘ AccuBond™ Duralcan™ MMC
driveshaft
Duralcan™ driveline housing, brake rotor and brake drum
(AA359/SiC/20p, and AA360/SiC/20p)
Duralcan: AA6061/Al2O3/xxp, or
A359/SiC/xxp, or other
acc: Mark Williams Enterprises,
Louisville (CO), USA
acc: Alcan Engineered Cast Products, Alcan Inc.
(now Rio Tinto Alcan Inc.), Montreal, Canada
acc: K. U. Kainer: Metallishe Verbundwerkstoffe.
Weinheim : Wiley-VCH, 2003
Disc brake caliper with fiber reinforcement
Fiber reinforced wheel hub / bearing seat; continuous
fiber reinforcement (Mg/CF or Al/CF inserts)!
3M™ Nextel™ 610 fiber
reinforced AMC
acc: EMPA, Thun, Schweiz
Einführung
Seite 24
Anwendungen
Wolframfaser verstärkte Nickel-Basislegierung für Turbinenschaufeln
Einführung
Seite 25
Klassische Herstellverfahren für faserverstärkte MMC-Werkstoffe
 Flüssigphaseninfiltration in poröse,
vorgeformte Faserstrukturen:
- Squeeze casting (Pressgießen)
- Gasdruck-Infiltration
- Gesenkpressen mit flüssiger Metallphase
 Heißpressen und Festphasenimprägnierung:
- Diffusion bonding
- Axial-Heißpressen
- Isostatisches Heißpressen
Vorteile:
• einfache Fertigungsverfahren
• kurze Taktzeiten
Nachteile:
• keine komplexen Geometrien möglich
• Herstellung stabiler Vorformen nötig
• Faserschädigung durch chem. Reaktion
Vorteile:
• Genauigkeit der Faserausrichtung
Nachteile:
• keine komplexen Geometrien möglich
• Faserschädigung durch chem. Reaktion
und Scherspannungen
• lange Prozessdauer
• schwierige Prozessführung
Neue Methode:
Warmumformen und Verdichten thermisch gespritzter Halbzeuge im
teilflüssigen Zustand zu Metal Matrix Composites (MMC)
Einführung
Seite 26
Herstellungsverfahren
Herstellung aus der flüssigen Phase
Druckguss: Druckinfiltration einer porösen Faser-Preform
Voraussetzung: poröse Vorform muss hohem Druck standhalten
Beispiel: Al2O3-faserverstärktes Aluminium
Einführung
Seite 27
Herstellungsverfahren für faserverstärkte Leichtmetalle
Aus der flüssigen Phase: Gasdruckinfiltration
Infiltration durch Tauchen
Infiltration über ein Steigrohr
Einführung
Seite 28
Konventionelle Herstellungsverfahren für faserverstärkte Leichtmetalle
Aus der festen Phase: Diffusion Bonding
Einführung
Seite 29
Neues Herstellverfahren für faserverstärkte MMC-Werkstoffe: Thixoforging
Eigenschaften und Merkmale des Thixo-Schmiedens
Merkmale des Thixoschmiedens:
• Definiertes Erstarrungsintervall, in dem
flüssige und feste Phasen nebeneinander
existieren
• Globulare Struktur während des
Aufschmelzens ohne Dendritenbildung
• Flüssigphasenanteil von fl = 20 - 50 Vol.% in
einem wohldefinierten Temperaturbereich
• Festphasenskelett stützt flüssige Legierungsanteile (Flüssigphasenmatrix)
• kleine Korngrößen (2 -10 µm)
Kombination der Vorteile von
Gießen
- near-net-shape
- dünne Wandstärken
- komplexe Geometrien
- kurze Taktzeiten
und
Schmieden
- hochfest
- feinkörnig
- hohe Bruchdehnungen
- dichtes Gefüge
ideal globulares Gefüge
Einführung
Seite 30
Thixo-Umformen thermisch gespritzter Massivwerkstoff-Bolzen
Handschneidetest am Demonstrator (Spritzbolzen)
AlSi6-Bolzen, abgeschieden durch Lichtbogen-Drahtspritzen
und erwärmt in den teilflüssigen (semi-solid) Zustand
Einführung
Seite 31
Herstellverfahren für MMC-Werkstoffe allgemein (Übersicht)
PRMBolzen
& Fasergewebe
Quelle: A. Mortensen, EPFL, Lausanne
Thixo-Formgebung
Einführung
Seite 32
Material deposition by arc wire spraying
Arc wire spray torch (schematic):
DC
coating
wire
arc
electrical contact
atomizer gas
substrate
Arc wire spraying with a GTV sparc 400
from: www.Schooperen.nl
Energy source:
Max. process temp.:
Materials:
Particle velocity:
Deposition rate:
electric arc
4000 °C
metals, alloys, cored
wires with ceramic
particles
150 m/s
20 - 300 kg/h
from: Pursche, Oberflächenschutz vor
Verschleiß, 1990
SEM of a AlSi6 coating surface by
arc wire spraying
Einführung
Seite 33
Mikro-Gefügestruktur thermisch gespritzter Faser-Prepregs
Beschichtete (AlSi6, Lichtbogen-Drahtspritzen) C-Faser-Gewebe vor der Erwärmung
LeichtmetallSchicht
Kohlenstoff-FaserGewebe
Lichtmikroskopische Aufnahmen
im Querschliff
Leichtmetall
Individuelle
C-Fasern
Fine grained
structure
FIB-Mikroskopie der feinkörnigen Gefügestruktur
(Visualisierung einzelner Körner durch Channeling Contrast)
Einführung
Seite 34
Mikro-Gefügestruktur thermisch gespritzter Faser-Prepregs
20 µm
REM-Aufnahme am Querschliff eines beschichteten C-Faser-Gewebes
(Lichtbogen-Drahtspritzen) nach der Erwärmung
 Korngröße & -gestalt bleiben erhalten (Globulite im Bereich 2-3 µm)
Einführung
Seite 35
Infiltrationsverhalten und Mikrostruktur
Kohlenstofffaserverstärktes AlSi6-MMC
Homogene und vollständige
Infiltration ohne Faserschädigung (bzw. kaum
Faserschädigung)
REM-Aufnahme eines Querschnitts
Einführung
Seite 36
Herstellung der Halbzeuge für die Umformung im teilflüssigen Zustand
(2D-Gewebeverstärkung)
6-Achsen Robotersystem
Lichtbogendrahtbrenner
Kohlenstofffasergewebe
Umrollanlage
Anlagentechnik zur Gewebebeschichtung im Pilotmaßstab
Einführung
Seite 37
Prozessschema Prepregherstellung und Thixoschmiedeverdichtung
coating
fiber
winding
coating
cylinder
arc wire torch
cylinder
cutting
matrix from metal alloy
UD fiber-bundle
reinforcement UD fibers
piling &
packing
heating
& thixoforging
Einführung
Seite 38
Pulvermetallurgische Herstellung von Aluminium-MMC
Referenzmaterial: DARTAL 15A® (Aluminium (AA 2009)-SiCP) von Manoir Industries, Frankreich
Prozessroute:
Compounding
Pulvermischung (reine Metalle)
Verdichtung
CIP (Kaltisostatpressen)
Quelle:
Forges de Bologne, Manoir
Industries, Frankreich
Eigenschaften:
Dichte: ρ = 2,83 g/cm3
Bruchzähigkeit: KIc > 24 MPa∙√m
Orientierung
längs (L)
quer (T)
Streckgrenze, σy
(N/mm2)
>350
>340
Zugfestigkeit, σt,m
(N/mm2)
>480
>480
Bruchdehnung
(%); L0 = 5d
>5
>3
Steifigkeit, E
(GPa)
93 +/-3
91 +/-3
Herstellerangaben; Werte für Raumtemperatur
Formgebung
Schmieden (Gesenk)
Rotoranlenkung
aus AA 2009/SiC
(Dartal 15A®)
50 µm
FORGES DE BOLOGNE
Dartal: Lichtmikroskopie geschmiedetes Gefüge
Einführung
Seite 39
Prozessroute:
Gemahlene Kohlenstofffasern
Donacarbo S241
Compounding
Pulvermischung (reine Metalle)
Verdichtung
CIP (Kaltisostatpressen)
Konsolidierung
Warmauslagerung (Vakuum)
pechbasierte gemahlene Kohlenstofffaser, mittlere Faserlänge 130 ± 40µm
Milled Tenax-A Type 385
Formgebung
Schmieden (Gesenk)
Pulvermischung für EN AW2009 [Al Cu3,5Mg]; REM
PAN – HT- Kohlenstofffaser gemahlen, Faserlänge 60 bzw. 100 µm
Einführung
Seite 40
Prozessroute für SFRM
(15 Vol.-% Fasern):
Compounding
Mischen Pulver und Fasern
50 µm
EN AW-2009
[Al Cu3,5Mg],
Pulvermischung
50 µm
C-Fasern HT Typ-A M100
(gemahlen), Toho Tenax
Al2O3-Fasern Typ 3M
Nextel 610, chopped
(3,2 mm), heat cleaned
Verdichtung
Kaltisostatpressen (CIP)
AA2009/Al2O3-fiber(Nextel610 chopped)/15p,
CIP (600 bar)
AA2009/C-fiber milled/30p, CIP (600 bar)
Einführung
Seite 41
Neuer Ansatz zur Herstellung von partikelversträrkten MMC  Abscheidung
von partikelverstärkten Bolzen durch Lichtbogendrahtspritzen
Powder materials for MMCs:





silicon carbide, SiC
boron carbide, B4C
aluminium oxide (corundum), Al2O3
pure silicon, Si
choice depends on required properties
Example for cored wires:
Standard aluminium/alumina wire; diameter is 2 mm
Table: Properties of reinforcement particles
density
r
melting point /
thermal
th. decomp.
expansion
Tm
coeff. a 20-1000
Young‘s
modulus
E
Vickers
hardness
HV
(g/cm3)
(°C)
(10−6 K−1)
(GPa)
(kp/mm2)
Al2O3
3.7 - 3.97
2050
7.0 - 8.8
300 - 380
1700 - 2370
SiC
3.08 - 3.20
2760
4 - 4.8
370 - 450
2500 - 3300
B4C
2.52
2445
4.5 - 5.6
450 - 470
4980
silicon
2.33
1420
2.3 - 7.6
112.8
1120
various sources
SEM image of fused and crushed alumina powder
for cored wire production
Einführung
Seite 42
Herstellung von partikelverstärkten Bolzen
Angle variation in order to avoid shadowing effects and
influences on porosity and microstructure
robot
arc wire torch
P3
P2
billet
P1
rotating table
cooling nozzle
Different sizes of Al2O3,P / A2017(AlCu4MgSi), 31.0
%vol. particles billets
installation and processing for the deposition of massive spray billets on a
rotating table by thermal spraying with the arc wire technique
Einführung
Seite 43
Verbundwerkstoffe mit keramischer Matrix (CMC)
Motivation für die Einlagerung von Verstärkungsphasen
Vermeidung des spontanen Sprödbruchverhaltens d.h. Erhöhung der Schadenstoleranz und der
Sicherheitsreserven des Bauteils
keramische Verbundwerkstoffe
(CMC – Ceramic Matrix Composite)
CMC Systeme
• Kohlenstofffaserverstärkte SiC-Keramiken
• Kohlenstofffaserverstärkte TiC-Keramiken
Einführung
Seite 44
Keramik - Grundlagen
Definition (allg.):
nichtmetallisch-anorganische Werkstoffe
speziell (DKG):
Technologie zur Herstellung und Weiterverarbeitung keramischer
Werkstoffe; keramische Werkstoffe sind anorganisch
nichtmetallisch, in Wasser schwer löslich und mind. zu 30% kristallin
Bestandteile nach allg. Definition
reine Nichtmetalle, z.B. C, Si, Ge
Verbindungen der Elemente B, C, Si, N, O (Boride, Carbide, Silizide, Nitride, Oxide)
typische Merkmale
hohe Härte, Verschleiß und Druckfestigkeit
hohe thermische Beständigkeit (Schmelz- bzw. Zersetzungstemperaturen)
gute chemische Beständigkeit
ausgeprägte Sprödbruchanfälligkeit (Reduzierung der Zug- und Biegefestigkeit)
Einführung
Seite 45
Verbundwerkstoffe mit keramischer Matrix
Motivation für die Einbringung von Verstärkungsphasen
entscheidende Faktoren
Spannung
Maximallast
ca. 15 – 30 % Faserbrüche
zunehmende
Faserbrüche
CMC

Kristallstruktur (unterschiedliche Größe
der Gitterbausteine)

Bindungscharakter (Kovalent, d.h.
gerichtet oder ionisch, d.h. unterschiedliche Ladung und Größe der
Gitterbausteine)
Massivkeramik
Rissausbreitung
in der Matrix
linear-elastischer
Anfangsbereich
keine plastische
Verformung möglich
alle Fasern gebrochen,
Restfestigkeit durch
Pull-out
Maßnahmen zur Duktilisierung

Einlagerung von Verstärkungskomponenten, die überkritisches Risswachtstum durch energiedissipierende
Prozesse vermeiden

„quasi–Duktilität“ und Schadenstoleranz
durch Verstärkungsphasen
(Fasern, Teilchen, Whisker, ...)
Dehnung
idealisiertes Spannungs-Dehnungs-Diagramm eines
faserverstärkten
Keramischenmit
Verbundwerkstoffes
Quasiduktiles Bruchverhalten
Faser Pull-Out
Einführung
Seite 46
CMC-Fertigungsverfahren - Einteilung
CMC-Fertigungsverfahren
Masseaufbereitung/Formgebung
aus der PMC-Herstellung
adaptierte Verfahren mit Precursoren als
Bindemittel und Matrixlieferant
(Faserimprägnierung, RTM, Autoklave,
Warmfließpressen ...)
Masseaufbereitung/Formgebung
klassische Verfahren aus der
Massivkeramik unter Verwendung meist
temporärer Bindemittel
(Axialpressen, Kaltisostatisches
Pressen, Gel-Casting, ...)
Pyrolyse des Precursors
Ausbrennen des temporären
Bindemittels
Verdichten der Matrix durch
• Sintern (Glas)
• Heißpressen (Al2O3, Glas, MgO)
• Reaktionssintern (Si3N4)
• Metallinfiltration kombiniert mit
heterogener chemischer Reaktion
(DIMOXTM : AlN-, Al2O3 )
Nachverdichtung/Aufbau der Matrix durch
• Keramisierung und n-Nachverdichtungszyklen
mittels Flüssigphaseninfiltration des Precursors
(SiC, C)
• Flüssigphasenimprägnierungen von Metallen
und/oder Legierungen mit Reaktionsbindung
durch heterogene chemische Reaktionen
(SiSiC, Si(Fe,Al)SiC)
• Abscheidung der Matrix aus der Gasphase
(CVI: SiC, C, Si3N4, BN, HfC)
Quelle: Vorlesung Verbundwerkstoffe I
Einführung
Seite 47
PMC-Compoundingverfahren zur CMC-Herstellung
Bsp.: SiC- und C-Matrixsysteme
Rohstoffe
Füllstoffe Graphit, SiC; Kohlenstoff- bzw. SiC-Fasern
Precursoren
Thermoplaste: Peche, PAM–Precursoren; Thermodure: Phenol–, Epoxid–, Furanharze; Metall-organische Verbindungen
PMC-Masseaufbereitung (Compounding)
Niederdruckverfahren
Faserimprägnierung
und gleichzeitige
Formgebung (RTM)
Warmfließpressen
Prepreglamination und
Aushärtung
im Autoklaven
Prepregherstellung durch
Beschickung der Pressform
SMC, Beschickung der Presse
durch rieselfähige Granulate
mit laminierten Prepregs
(Granulation, Extrusion, Mahlen)
Pyrolyse
thermische Zersetzung der Precursoren zu Kohlenstoff unter Ausbildung einer inneren Porosität
Silizierung
Precursorinfiltration
CVI
Infiltration von schmelzflüssigem
Silizium in den porösen Vorkörper
(Si(RB)SiC-Matrix)
(mehrmalige) Nachinfiltration und
Pyrolyse bzw. Keramisierung
(SiC- oder C-Matrix)
Nachverdichtung durch chemische
Gasphasenabscheidung
(SiC-, C-Matrix)
Quelle: Vorlesung Verbundwerkstoffe I
Einführung
Seite 48
Ende
Einführung
Seite 49

Verbundwerkstoffe - Institut für Fertigungstechnologie keramischer

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