Beherrschung der lokalisierten elektrochemischen Auflösung von festphasengesintertem Siliziumkarbid – SiCECM

• Antragsteller: Professor Dr. Alexander Michaelis; Professor Dr.-Ing. Andreas Schubert
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik ; Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 527413836

Festphasengesinterte SiC-Keramiken (SSiC) werden aufgrund ihrer sehr guten mechanischen, tribologischen und korrosionsstabilen Eigenschaften bspw. als Gleitringdichtungen oder Ventile im Kraftwerksanlagenbau und der chemischen Industrie eingesetzt. Ihre hohe Härte und Druckfestigkeit erschweren jedoch die mechanische Formgebung und Oberflächenbearbeitung. Der hohe Schmelzpunkt beeinträchtigt die thermisch abtragende Bearbeitung durch Funkenerosion oder Laserbearbeitung. Das elektrochemische Abtragen (ECM) stellt aufgrund des untergeordneten Einflusses mechanischer und thermischer Werkstückeigenschaften eine aussichtsreiche Alternative dar. Für die zielführende Formgebung und Oberflächenbearbeitung bestehen jedoch aktuell starke Einschränkungen hinsichtlich bekannter Bearbeitungsparameter. Eigene Vorarbeiten beider Antragsteller belegen jedoch prinzipielle Lösungen zur anodischen Auflösung von SSiC mit ausreichend hoher elektrischer Leitfähigkeit für den erforderlichen Ladungsaustausch. Es kommt zur Ausbildung von Passivschichten und bei ausreichend hohem Potential zum dielektrischen Durchbruch mit erheblicher Sauerstoffbildung durch Elektrolyse. Genauere Untersuchungen bezüglich Oxidschichtbildung und -auflösung, möglicher Nebenreaktionen und pH-Wertänderungen sowie der Auswirkung auf die Instabilität der Passivschicht sind nicht bekannt und es existiert keine einheitliche Beschreibung zum ECM im thermodynamischen Ungleichgewicht. Zudem ist der beobachtete Einfluss der Jouleschen Erwärmung auf die Abtragrate durch die Halbleitereigenschaften von SSiC bisher nicht untersucht. Jet-ECM ermöglicht die Applikation ausreichend hoher Spannungen und individueller Elektrolytzusammensetzung für die Auflösung von SSiC mit hoher Lokalisierung durch starke Fokussierung des Stromflusses und stellt damit ein aussichtsreiches Verfahren für die Erforschung der Oberflächenstrukturierung dar. Vorhersagbare Abtraggeometrien und die Auswirkung lokaler Joulescher Wärmeeinträge auf die Stromausbeute sind jedoch nicht bekannt. Um relevante, miteinander wechselwirkende Feldgrößen und Feldgrößenverteilungen auf ausreichend kleinen Zeitskalen und Geometriedimensionen zu analysieren und deren Zusammenhänge zu verstehen, erscheinen numerische Simulationsmodelle sinnvoll und notwendig. Übergeordnetes Ziel ist die grundlegende Erforschung der Wirkung von Prozesseingangsgrößen auf den Abtrag von SSiC zur simulationsunterstützten Auslegung der Mikrostrukturierung durch Jet-ECM. Dazu soll der transpassive Durchbruch und die Aufrechterhaltung bei geringerem Erhaltungspotential untersucht werden. Grundlegende Erkenntnisse in einer Mikrokapillarzelle sollen erforderliche Eingangsparameter zur Entwicklung eines Simulationsmodells liefern, um Jet-ECM Bearbeitungsparameter zu skalieren. Die Sauerstoffentwicklung und Kohlenstoffumsetzung sollen quantifiziert werden, um die Oxidationsstufen von Si und C und der Stöchiometrie abzuleiten und die Abtraggeometrie zu beherrschen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen