Mechanisms of crack healing in reactive MAX phase ceramic composites
Final Report Abstract
Ziel des Projekts war die Untersuchung des Ausheilungsverhaltens schädigungsinduzierter Rissbildung in ZrO2 Composit-Keramiken für Wärmedämmschicht-Anwendungen durch Oxidation von dispergierten Nb2AlC MAX-Phasen Partikel. Ausgehend von der HT-Synthese von Nb2AlC wurden Y-TZP Composit-Keramiken mit Nb2AlC Volumenanteilen von 0 bis 19.5 % durch druckloses Sintern sowie druckunterstütztes Spark Plasma Sintering hergestellt. Die signifikante Zunahme der Bruchzähigkeit mit steigendem Nb2AlC Gehalt lässt sich in Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen mit dem Rissbrückenmodell nach Budiansky/Amazigo/Evans darstellen. Auslagerung an Luft bei 1200 °C löst durch eindiffundieren Sauerstoff die Oxidationsreaktion der eingelagerten Nb2AlC Partikel aus. Die damit verbundene Volumenausdehnung ermöglicht die Bildung von Oxid-Rissbrücken hinter der Rissspitze. Thermo-chemische Berechnungen wurden durchgeführt, um den Einfluß des lokalen Sauerstoffgehaltes auf die Reaktionsabfolge - Nb2AlC Degradation, selektive Al-Oxidation, Nb-Karbid-Oxidation, Al-Niobat-Bildung - zu ermitteln und günstige Randbedingungen für die oxidative Rissheilung abzuleiten. Das Rissheilungsverhalten der Spark Plasma gesinterten Y-TZP/Nb2AlC Composit- Keramiken bei 1200 °C wurde für kurze Ausheilzeiten von 10 min und 20 min untersucht und die Festigkeitserholung experimentell bestimmt. Aus den Ergebnissen wurde ein neues Oxidbrücken-Kohäsions-Zonen Modell abgeleitet, das durch Überlagerung der Matrix-Rissheilung im Y-TZP sowie der Bildung von Oxid-Rissbrücken an geschnittenen Nb2AlC Partikeln die Einflüsse von Heilungszeit und Nb2AlC Volumenanteil abbildet. Zur Kombination von beschleunigter Rissheilung im Initialstadium mit verbesserter Langzeitstabilität wurden die Nb2AlC Partikel mit einer Al2O3-Barriereschicht überzogen, um die Oxidationsreaktion selektiv auf den Rissbereich zu beschränken und die Bildung von Ober-flächen-Oxidschichten zu verlangsamen. Erste Untersuchungen zur Herstellung von Y-TZP/Nb2AlC Wärmedämmschichten auf Ni-Superlegierung-Substraten durch atmosphärisches Plasmaspritzen (APS) wurden erfolgreich durchgeführt.
Publications
- Thermochemical calculations of the stability of Ti2AlC in various atmospheres, J. Ceram. Sci. Techn. 7 (2016) 223-228
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T. Fey, M. Stumpf, A. Chmielarz, P. Colombo, P. Greil, M. Potoczek
(See online at https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2018.04.012) - Nb2AlC-particle reinforced ZrO2–matrix composites, J.Ceram.Sci.Techn. 9 (2018)
M. Stumpf, J. Biggemann, T. Fey, K. Kakimoto, P. Greil
(See online at https://doi.org/10.4416/JCST2018-00013) - So-gel infiltration of complex cellular indirect 3D printed alumina, J. Europ. Ceram. Soc. 38 (2018) 3603-3609
M. Stumpf, N. Travitzky, P. Greil, T. Fey
(See online at https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2018.04.023) - Thermochemical calculations of the oxidation behavior of Nb2AlC MAX phase in crack-healing ZrO2–matrix composites, Ceram. Int. (2018)
M. Stumpf, J. Biggemann, T. Fey, K. Kakimoto, P. Greil
(See online at https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.05.249)
