Simulation der Gefügebildung im Lötspalt beim RAB-Löten II
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Projekt wurde für die Phasenfeldsimulation eine Methode zur Berücksichtigung einer (O2) Gasphase unter gegebenem Partialdruck im kinetisch verzögerten Austausch mit Ag-Cu-Lot entwickelt und eingesetzt. Darauf basierende Mikrostruktur-Simulationen ermöglichten ein verbessertes Verständnis der Loterstarrung während des RAB-Lötens im Hinblick auf Reaktionskinetik und der Wechselwirkungen zwischen den Erstarrungsreaktionen, insbesondere im Hinblick auf den Sauerstoffaustausch. Dabei erwies sich eine Verzögerung des Sauerstoffaustauschs zwischen Lot und Atmosphäre als geeignete Erklärung experimenteller Daten. Außerdem konnte der in der Simulation beobachtete Einfluss des Sauerstoffpartialdrucks auf Reaktionstemperaturen direkt anhand des p-T-Phasendiagramms des Ag-Cu-O-Systems veranschaulicht werden. Zum direkten Abgleich mit DSC-Daten und einer vergleichbaren Veranschaulichung der Reaktionskinetik wurden dabei simulierte DSC-Kurven aus dem Wärmehaushalt des Systems berechnet. Zur thermodynamischen Beschreibung der Reaktionen während des Lötprozesses wurde die CALPHAD-Methode mit einer passenden thermodynamischen Datenbank eingesetzt. Um zusätzlich Reaktionen zwischen Lot und Fügepartnern zu berücksichtigen, wurde die Datenbank mit aus der Literatur entnommenen thermodynamischen Beschreibungen zum Einfluss von z.B. Co, Fe, Cr erweitert. Für die Beschreibung der BSCF-Keramik wurde eine Modell-Phase entwickelt und eingesetzt. Insgesamt ist die thermodynamische Modellierung leider noch lückenhaft, sodass eine umfängliche Simulation unter gleichzeitiger Abbildung der Wechselwirkung Lot/Keramik/Stahl nicht erreicht werden konnte. Viele einzelne Teilaspekte können dagegen mit den entwickelten Modellen abgebildet werden und zukünftig für Parameterstudien, z.B. im Rahmen von Bachelor oder Masterarbeiten genutzt werden. In Phasenfeldsimulationen der Lot-Keramik-Grenzschicht erwies sich der Mechanismus der Korngrenzbenetzung als geeignetes Erklärungsmodell für das experimentell beobachtete Eindringen des Lotes in die Keramik und Kornvergröberungen in der BSCF-Phase. Der Einsatz der Phasenfeldmethode zur Beschreibung des RAB-Prozesses wurde im Rahmen des Projektes etabliert. Dies bildet einen Grundstein für weitere Arbeiten auf diesem Gebiet.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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“Phase field simulations of microstructure formation in an Ag-Cu-O brazing filler under reactive air brazing conditions”, Proceedings of the 5th International Brazing and Soldering Conference 2012, Las Vegas, NV/USA, pp 458-464
M. Apel, B. Boettger
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(2014), Phase Field Modeling Applied to Reactive Air Brazing: Investigating Reaction Kinetics with Focus on Oxygen Exchange. Adv. Eng. Mater., 16: 1475–1481
Berger, R., Apel, M. and Böttger, B.
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(2014), Phase Field Modeling of Microstructure Formation, DSC Curves, and Thermal Expansion for Ag-Cu Brazing Fillers Under Reactive Air Brazing Conditions. Adv. Eng. Mater. 16: 1468–1474
Apel, M., Laschet, G., Böttger, B. and Berger, R.
