Grenzflächenreaktionen in refraktären Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen

Feuerfeste Werkstoffe spielen für die erzielbaren Temperaturen in Hochtemperaturprozessen eine entscheidende Rolle, die eingesetzten Keramiken -- beispielsweise Al$_2$O$_3$ -- sind allerdings anfällig für ein Versagen durch Thermoschock. Die dafür verantwortlichen, prozessbedingt großen Temperaturunterschiede könnten durch ein vorgeschaltetes Widerstandsheizen der Bauteile deutlich verringert werden, hierzu ist jedoch eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit erforderlich. Aufgrund der Einsatztemperaturen von oberhalb 1500⁰C eignen sich hierfür Verbundwerkstoffe aus Feuerfestkeramiken und Refraktärmetallen, unter denen Nb und Ta aufgrund der gegenüber Al$_2$O$_3$ ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besonders vielversprechend sind. ... mehr
Entscheidend für den Einsatz ist die Frage, ob bei der Herstellung, etwa durch drucklose Sinterung, oder im Einsatz in oxidierender Atmosphäre Reaktionen zwischen der keramischen und metallischen Komponente auftreten. Eine Umsetzung in Refraktärmetalloxide mit abweichendem Eigenschaftprofil würde die Einsetzbarkeit stark einschränken. In zuvor durchgeführten Untersuchungen konnte in Verbundwerkstoffen aus Al$_2$O$_3$ und Nb beziehungsweise Ta die Bildung solcher Oxide beobachtet werden.
In dieser Arbeit wird das Auftreten dieser Phasen nach einer Wärmebehandlung untersucht. Neben den drucklos gesinterten Verbundwerkstoffen erfolgen zur Reduzierung der Einflussfaktoren -- beispielsweise eine durch Porosität erschwerte Probenpräparation -- Arbeiten an feldunterstützt gesinterten und gesputterten Modellmaterialien. Für Nb- und Ta-haltige Verbunde wird unter Verwendung modellierter Phasendiagramme diskutiert, inwiefern Unterschiede für die beiden Refraktärmetalle auftreten. Mittels Atomsondentomografie werden die Zusammensetzung an den Grenzflächen und Segregationen sowie mögliche Unterschiede zwischen gesinterten und gesputterten Proben betrachtet. Für gesputterte Nb-Al-Legierungsschichten wird untersucht, wie die Oxidbildung vom Al-Gehalt abhängt und inwiefern eine selektive Oxidation von Al zu Al$_2$O$_3$ unter Vermeidung von Al-Nb-Oxiden möglich ist. Aufbauend auf die untersuchten Segregationen wird in einem Schichtverbund der Einfluss einer dünnen Schicht C zwischen Al$_2$O$_3$ und Nb-Mischkristall untersucht.

The temperature resistance of refractories is decisive for high-temperature processes, but the ceramics used like Al$_2$O$_3$ are susceptible to failure due to thermal shock. The responsible, process-related large temperature differences could be significantly reduced by previous resistance heating of the components, but this requires sufficient electrical conductivity of the material. Due to the application temperatures of above 1500⁰C, the use of refractory metals is suitable for this purpose, among which Nb and Ta are especially promising as they show similar thermal expansion compared to Al$_2$O$_3$. ... mehrThe decisive factor for a successful application is whether reactions occur between the ceramic and metallic constituents during production, such as conventional, pressureless sintering, or when applied in an oxidizing atmosphere. Conversion into refractory metal oxides with divergent properties would severely limit the applicability. In previous investigations, such oxides formed in composite materials made of Al$_2$O$_3$ and Nb or Ta. In this work, the occurrence of these phases after heat treatment is investigated. In addition to the pressureless sintered composites, work is carried out on field-assisted sintered and sputtered model materials in order to reduce the influencing factors -- such as pores complicating sample preparation. For composites containing Nb and Ta, modeled phase diagrams are used to discuss whether differences occur for the two refractory metals. Atom probe tomography is used to examine the composition of the interfaces and segregations as well as possible differences between sintered and sputtered samples. For sputtered Nb-Al alloy layers, the investigations show how the oxide formation depends on the Al content and whether a selective oxidation of Al to Al$_2$O$_3$ is feasible to avoid Al-Nb oxides. Based on the observed segregations, the influence of a thin C layer between Al$_2$O$_3$ and Nb is investigated in a layer composite.