Phasenumwandlungsverstärkte, zirkonoxidreiche Verbundwerkstoffe mit TRIP-Stahl - Partikelzusätzen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die mechanischen und thermo-mechanischen Eigenschaften von MgO-teilstabilisiertem Zirkondioxid lassen sich durch die Zugabe einer sekundären Phase verbessern. In den letzten Jahren wurde unter Anderem die Zugabe von metallischen Partikeln in keramische Materialien intensiv erforscht. Das verbesserte Thermoschockverhalten und die Erhöhung der Risszähigkeit ergeben sich aus der Fähigkeit der metallischen Phase zur plastischen Deformation und der daraus resultierenden Rissabschirmung. Dies führt zu einer Erniedrigung der Spannungskonzentration an der Rissspitze. Im Rahmen dieses Forschungsprojektes wurden ein mit 3,4 Ma.% MgO- teilstabilisiertes Zirkondioxid und ein neu entwickelter metastabiler austenitischer TRIP-(TRansformation Induced Plasticity) Stahl miteinander kombiniert. Wandelt sich der Austenit während einer mechanischen Beanspruchung verformungsinduziert in ε- und/oder α’-Martensit um, so wird der TRIP-Effekt beobachtet. Als Folge davon steigen das plastische Deformationsvermögen und die Zugfestigkeit. Die innovative Idee des untersuchten Werkstoffkonzeptes beruht insbesondere auf der Möglichkeit, die thermisch und/oder mechanisch induzierten Phasenumwandlungen, die in beiden Werkstoffen zu einer Volumenvergrößerung führen, bewusst miteinander zu verbinden. Es wurden Proben mit 10 bis 30 Vol.% TRIP-Stahl mittels Schlickerguss hergestellt. Eine homogene Verteilung der Stahlpartikel wurde bei Verwendung von Additiven für Metallsuspensionen erreicht. Die Eigenschaften der Verbundwerkstoffe wurden maßgeblich durch Restsauerstoff während des Brandes beeinflusst. Die Werkstoffe, die unter Argon-Atmosphäre mit Restsauerstoff gesintert wurden, wiesen schlechte mechanische und thermo-mechanische Eigenschaften auf. Fand die Sinterung hingegen zusätzlich in Graphit-Tiegeln statt, konnten die mechanischen Eigenschaften verbessert werden. Die Biegebruchfestigkeit erhöhte sich um 28% im Vergleich zu reinem Zirkondioxid, gesintert in oxidischer Atmosphäre. Die Thermoschockbeständigkeit konnte ebenfalls verbessert werden. Im Vergleich zu reinem, in oxidischer Atmosphäre gebrannten, Zirkondioxid wurde eine um 82% höhere Restfestigkeit ermittelt. In zukünftigen Arbeiten sollte der Beitrag der martensitischen Phasenumwandlung auf die mechanischen und thermo-mechanischen Eigenschaften der Verbundwerkstoffe bei geringeren TRIP-Stahlgehalten untersucht werden. Bisherige Vorversuche zeigen vielversprechende Ergebnisse. Die neu entwickelten Werkstoffe eignen sich als feinkörnige, dichte Feuerfestkeramiken bis zu einer maximalen Einsatztemperatur von 600 ° in sauerstoffhaltigen Atmosphären und bis zu maximal 1450° in reduzierenden Atmosphären. Die Übertragung der gewonnenen Erkenntnisse auf größere Geometrien und Bauteile ist ein wichtiger Punkt. Die eingesetzte Schlickergusstechnologie mit speziellen Verflüssigern für Zirkondioxid/Stahl- Schlickersysteme bietet ein interessantes Urformgebungsverfahren, welches vielversprechend für die Realisierung von komplexen Geometrien von Auslaufdüsen, ist.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- TU Bergakademie Freiberg: Einsatz der Extrusion für nichtkonventionelle Anwendungen, Symposium des Fachausschusses III „Verfahrenstechnik“ der Deutschen Keramischen, Gesellschaft e.V. in Zusammenarbeit mit dem Expertenkreis Keramikspritzguss in der DKG e.V., 01. und 02. Dezember 2009
C. Aneziris (V), C. Weigelt, H. Biermann
- Screening of the interactions between Mg-PSZ and TRIP-Steel and its alloys during sintering
C. Weigelt; S. Giersberg; C. Wenzel; C. G. Aneziris
- Ceramic Matrix Composites based on Mg-PSZ with Cr-Ni-Steeladditions with improved thermo-mechanical properties
C. Wenzel; C. G. Aneziris
