Thermodynamik und Phasendiagramme refraktärer Verbundwerkstoffe

• Antragsteller: Dr. Peter Franke; Professor Dr. Hans Jürgen Seifert
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen ; Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 416817512

In Teilprojekt 7, Förderperiode 2, werden die Thermodynamik und die Phasendiagramme der refraktären Verbundwerkstoffe durch die Kombination von CALPHAD-Modellierungen mit ausgewählten thermodynamischen Schlüsselexperimenten erforscht. Im Mittelpunkt der Arbeiten der zweiten Förderperiode steht die Untersuchung des Einflusses des Elementes Silicium auf die Thermodynamik und die heterogenen Gleichgewichte der in Refrabund (FOR 3010) zentralen Werkstoffkombinationen Tantal-Al2O3 und Niob-Al2O3. Hierzu werden die quaternären Systeme Ta-Al-Si-O und Nb-Al-Si-O erforscht. Dies erfordert im Schwerpunkt die Modellierung der jeweiligen ternären Subsysteme insbesondere von Ta-Al-Si, Ta-Si-O, Nb-Al-Si, Nb-Si-O und Al-Si-O. Für diese Systeme und die quasibinären Subsysteme werden analytische Beschreibungen der Freien Enthalpiefunktionen für alle festen und flüssigen Phasen sowie die Gasspezies mittels CALPHAD-Methoden entwickelt. Für die Modellierungen werden die kristallographischen und physikalisch-chemischen Eigenschaften der Einzelphasen einbezogen. Die generierten Computerdatensätze für diese ternären Systeme werden mit den in der ersten Förderperiode erstellten thermodynamischen Datensätzen (Systeme Ta-Al-O und Nb-Al-O) in einer CALPHAD-Datenbank kombiniert. Auf dieser Grundlage werden Berechnungen der ternären und quaternären Systeme durchgeführt und hieraus notwendige Schlüsselexperimente für die Verfeinerung der Modellierungen und Phasendiagrammberechnungen abgeleitet. Mit vorhandenen kommerziellen Datenbanken werden zudem thermodynamische Rechnungen zur Untersuchung der Einflüsse von Kohlenstoff und weiterer Elemente (z.B. Calcium) auf die Phasenbildungen der Ta-Al2O3 und Nb-Al2O3 Komposite durchgeführt. Die thermodynamischen Eigenschaften für die Systemphasen sollen mit Dynamischer Differenzkalorimetrie und Hochtemperatur-Lösungskalorimetrie ermittelt werden. Es werden Wärmekapazitäten von Einzelphasen und deren Phasentransformationen und Bildungsenthalpien bestimmt. Mit Proben der Teilprojekte TP1 und TP2 werden Oxidationsuntersuchungen und andere physikalisch-chemische Untersuchungen (z.B. Dilatometrie) durchgeführt. Zudem werden Silicium-haltige Tantal- und Niob-Schichtproben durch Hochleistungskathodenzerstäubung (Magnetron Sputtering) hergestellt. Die Schichten werden auf Saphir-Substraten abgeschieden, wärmebehandelt und mit Röntgenographie und Mikrosondenanalysen charakterisiert. Anschließend werden diese Proben im Teilprojekt TP5 mit der Atomsonde und Elektronenmikroskopie hinsichtlich der Phasen- und Grenzflächenentwicklung analysiert.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 3010: Multifunktionale, grobkörnige, refraktäre Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde für großvolumige Schlüssel-Bauteile in Hochtemperaturprozessen