Untersuchung und Simulation der Materialtransportprozesse beim feldaktivierten Sintern metallischer Werkstoffe

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Bernd Kieback; Professor Dr.-Ing. Thomas Wallmersperger
• Fachliche Zuordnung: Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 262396337

Ziel des beantragten Forschungsprojekts ist die Aufklärung und die korrekte Beschreibung der Sintervorgänge beim feldaktivierten Sintern (FAST) von metallischen Pulvern. Im Rahmen des Projektes sollen die Einflüsse von Temperatur, Druck, Temperaturgradienten, des elektrischen Feldes und der Stromdichteverteilung auf die Materialtransportprozesse untersucht werden. Hierfür werden abgestimmte theoretisch/numerische und experimentelle Untersuchungen an Modellsystemen durchgeführt. Die Arbeit dient der kritischen Überprüfung der in der Literatur weitverbreiteten Hypothesen, z.B. über die Thermodiffusion und Elektromigration. Ausgehend von den deutlichen Fortschritten, die in der ersten Projektphase erzielt wurden, soll in der zweiten Projektphase eine umfassendere Beschreibung des FAST Prozesses entwickelt werden, die für relevante Material- und Pulvereigenschaften und in Abhängigkeit von den Prozessbedingungen die wesentlichen Transportmechanismen beschreiben kann. Hierzu soll der Materialtransport während des Sintervorgangs explizit berücksichtigt, und innerhalb eines elektro-thermo-mechanischen Modells umgesetzt werden. Zentraler Arbeitspunkt des Versuchsprogramms sind Sinterversuche mit einer systematischen Variation der Prozessparameter, angepasst an die zu untersuchenden metallischen Werkstoffe. Die Modellentwicklung erfolgt am Institut für Festkörpermechanik (IFKM) und die experimentellen Untersuchungen am Institut für Werkstoffwissenschaft (IfWW), an der TU Dresden. Wesentliches Ziel ist es, ein Modell für Kontaktwachstum und Verdichtung beim FAST unter Berücksichtigung der von den gekrümmten Oberflächen sowie dem externen Pressdruck, aber auch durch die Gradienten der Temperatur und des elektrischen Potentials getriebenen Transportprozesse zu erstellen und mittels Finiter-Elemente umzusetzen. Durch Vergleich der numerischen Ergebnisse mit speziell auf die Zielstellung angepassten Modellexperimenten, soll die FE-Simulation verifiziert, und die Vorhersage relevanter Transportmechanismen und damit Optimierung der Prozessparameter, insbesondere aber ein fundiertes Verständnis des feldaktivierten Sinterns für beliebige elektrisch leitfähige Werkstoffe, ermöglicht werden. Mit den zu erwartenden Ergebnissen des Projektes wird ausgehend von Modellsystemen erstmals eine umfassende quantitative Beschreibung der Verdichtungsvorgänge beim FAST metallischer Pulversysteme gegeben, die den Einfluss von Material, Teilchengröße, Oberflächenbeschaffenheit, Druck, Temperatur und elektrischen Regimen berücksichtigt. Durch die Übertragung der Modellvorstellungen auf reale Pulversysteme können Verdichtung und Gefügeentwicklung bei der Werkstoffherstellung mittels FAST zuverlässiger geplant werden. Nicht zuletzt soll die wissenschaftlich fundierte Beschreibung der Prozesse beim FAST nicht haltbare Spekulationen ersetzen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen