Ternäre Reaktivschichten auf Basis von Ru/Al

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Alfred Ludwig; Professor Dr.-Ing. Frank Mücklich
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 258672203

Die intermetallische B2-Phase RuAl verbindet gute Hochtemperatureigenschaften mit einer hohen Duktilität bei Raumtemperatur. Durch die hohe Bildungsenthalpie von -62 kJ/mol(Atome) sind sub-µm Komposite von Ru und Al zu selbstfortschreitenden exothermen Reaktionen unter Bildung der B2-Phase RuAl fähig. Damit ist das System Ru/Al anderen intermetallischen Reaktivsystemen, u.a. Ni/Al, Pt/Al, Pd/Al und Co/Al, ähnlich. Das System Ru/Al ist jedoch von besonderem Interesse, da es als einziges System ein duktiles Reaktionsprodukt mit einem Existenzbereich von 4,1 at. % (bei Raumtemperatur) und einer guten Energiedichte (vergleichbar mit der des kommerziell erhältlichen Ni/Al) verbindet. Dies macht Ru/Al zu einem interessanten System für die Anwendung des reaktiven Fügens mit minimaler Wärmebelastung des Bauteils. Der charakteristische Parameter reaktiver binärer Multischichtsysteme ist die Bilayerdicke. Durch sie sind die grundlegenden Eigenschaften des Systems, wie Reaktionsgeschwindigkeit, Zündtemperatur sowie Mikrostruktur und Morphologie des Reaktionsprodukts, festgelegt und können nicht unabhängig voneinander beeinflusst werden. Ziel dieses Projekts ist es, durch den Übergang von binären Multischichten aus Ru/Al zu ternären Ru/Al/X-Schichten (X=Ni, Pt, Hf, Ti) eine weitere Möglichkeit zur zielgenauen Einstellung ihrer Eigenschaften zu erschließen. Im Fokus steht dabei eine Absenkung der vergleichsweise hohen Zündtemperatur von Ru/Al-Schichten (400-575°C) auf Werte von ca. 300°C, vergleichbar mit der von Ni/Al-Schichten, um das Reaktionsverhalten in Gegenwart von Wärmesenken (z.B. innerhalb eines Fügespalts) zu verbessern. Da es nach Kenntnis der Antragssteller noch keine systematischen Untersuchungen im Bereich der ternären intermetallischen Reaktivsysteme gibt, soll in diesem Rahmen untersucht werden, wie sich die chemische Zusammensetzung und die Stapelfolge auf die grundlegenden Eigenschaften der reaktiven Multischicht (Reaktionsgeschwindigkeit, Morphologie und Mikrostruktur) auswirken, um mehr über die zugrunde liegenden Mechanismen zu lernen. Um große Zusammensetzungsbereiche untersuchen zu können, kommt die Methode des kombinatorischen Sputterns zum Einsatz, die es erlaubt, durch Kombination von Schichtdickengradienten ganze Materialbibliotheken auf einem einzigen Substrat herzustellen. Die Existenzbereiche der ternären RuAl-basierten B2-Phasen werden nach einer Wärmebehandlung durch Röntgenbeugung und Hochdurchsatzmessungen des elektrischen Widerstands erfasst. In den so bestimmten Konzentrationsbereichen werden durch in-situ Vier-Punkt-Widerstandsmessungen während des Aufheizens der Proben Phasenumwandlungen in Abhängigkeit von der Temperatur bestimmt, woraus sich Rückschlüsse auf die Zündtemperatur ziehen lassen. Basierend auf den Erkenntnissen über den Einfluss von Zusammensetzung und Stapelfolge werden Ru/Al-basierte ternäre reaktive Multischichten entwickelt, die die Vorteile von Ru/Al mit einer reduzierten Zündtemperatur vereinen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Beteiligte Person: Karsten Woll