Beschichtung und Schmelzinfiltration von Keramik-Preforms zur Herstellung von interpenetrierten Metallmatrix-Verbundwerkstoffen
Final Report Abstract
Im Rahmen des Teilprojekts „Herstellung und Charakterisierung von keramischen Preforms durch Freeze Casting-Verfahren“ ist es gelungen, die am IKM hergestellten Aluminiumoxid-Preforms (offenporöse keramische Vorkörper) durch einen Squeeze Casting-Prozess mit der Metalllegierung AlSi12 zu infiltrieren. Mit dieser Technik lassen sich die porösen Keramiken zu Metallmatrix-Verbundwerkstoffen (MMCs) verarbeiten, die, aufgrund ihres einzigartigen Gefüges, besondere Eigenschaften erwarten lassen. Die beim Squeeze Casting eingestellten Versuchsbedingungen führten zur Ausbildung eines weitgehend porenfreien MMCs mit intakten Keramiklamellen. Das Verhalten der Werkstoffe unter (thermo-)mechanischer Belastung wird maßgeblich von der Grenzfläche zwischen metallischer und keramischer Phase beeinflusst. An der Hochschule Aalen, Bereich Werkstoffforschung wurden deshalb Verfahren entwickelt, um die Porenwände der Preforms vor der Metallinfiltration oberflächlich zu modifizieren. Zur Beschichtung von Al2O3 mit Kupfer, NiPx oder Ag wurden stromlose Verfahren angewendet, die eine gute Nachbildung der Preformoberflächen gewährleisteten. Die Dicke der Schicht ließ sich dabei in gewissen Grenzen durch die Wahl der Versuchsparameter (Temperatur, Konzentration der Lösungen, Zeit) steuern. Eine gezielte Oxidation der Schicht führte zur Ausbildung entsprechender Aluminatphasen (MAl2O4, M=Cu, Ni) an der Preformoberfläche. Die beschichteten Preforms wurden anschließend ebenfalls mit AlSi12 schmelzinfiltriert. Die hergestellten Verbundwerkstoffe wurden nach eingehender materialographischer Gefügeanalyse den Projektpartnern für weitere Untersuchungen zur Verfügung gestellt. Durch die stark lamellare Struktur der keramischen Preform, die als Modellprobe für Grenzflächeneinflussuntersuchungen hervorragend geeignet ist, zeigt sich ein anisotropes und mechanisch ungünstiges Verhalten. Durch eine Weiterentwicklung der Preform mit porösen Wänden, so dass eine bessere dreidimensionale Vernetzung der Phasen gewährleistet ist, kann eine Verbesserung in den mechanischen Eigenschaften erzielt werden. Die starke Anisotropie der Eigenschaften, kann möglicherweise auch gezielt eingesetzt werden. Heatsink Materialien zum Beispiel, die in eine Richtung einen möglichst hohen Wärmeabtransport aufweisen müssen, in der Anderen allerdings eine geringe thermische Ausdehnung zeigen sollen. Hier wäre eine gezielte Weiterentwicklung und Anwendung der untersuchten Verbundwerkstoffe, u. U. auch mit einer höher leitfähigen Matrix, wie z.B. Cu oder Ag, denkbar.
Publications
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Euromat 2007: Coating and squeeze casting of ceramic preforms for the production of interpenetrating metal matrix composites
Anita Müller, Oliver Lott, Alwin Nagel
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IWO – Institut für Werkstoffe und Oberflächen – Jahrestagung 2009: Nanoskalige Grenzflächenreaktionen in Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen
Oliver Lott, Alwin Nagel
