Diffusionspfad-Untersuchungen an SiC-Verbunden

Das Fügen so unterschiedlicher Werkstoffe wie Keramik und Metall gilt als Schlüsseltechnologie für viele Hochtemperaturanwendungen. Für Verbunde aus SiC Keramik mit Metallen werden Ti-dotierte NiCr-Hartlote als die aussichtsreichsten Kandidaten angesehen, die Betriebstemperatur über die gegenwärtig mit der CuAgTi- Hartlottechnologie möglichen 400C zu erhöhen. Üblicherweise werden Werkstoffverbunde unter "steady state" Bedingungen statt unter Gleichgewichtsbedingungen hergestellt und verwendet. Dieser "steady state" wird durch den Diffusionspfad beschrieben. Die Kenntnis des Diffusionspfades zwischen der Keramik und den Lötlegierungen ist eine wichtige Voraussetzung zur Kontrolle der Grenzzone und daher Qualität des Verbundes. Im vorgeschlagenen Projekt sollen die Diffusionspfade zwischen SiC und binären, sowie ausgewählten ternären Legierungen unter Verwendung der Phasendiagramme der Systeme Si-Cr-Ni-C, Si-Cr-Ti-C und Si-Ni-Ti-C experimentell untersucht werden. Mittels dieser Diffusionsexperimente sollen die Interdiffusionskoeffizienten und die Aktivierungsenergien für die Diffusion bestimmt werden. Die Sequenz der Entwicklung und das Schichtwachstum der einzelnen Reaktionsproduktlagen soll modelliert werden. Das so erhaltene Modell soll es ermöglichen, die Fügeparameter (Lotzusammensetzung, Fügezeit und -temperatur) einzustellen um im vorhinein definierte Strukturen in der Fügezone zu erhalten.

Das Projekt "Diffusionspfaduntersuchungen an SiC-Verbunden" brachte wichtige neue Erkenntnisse über die Vorgänge beim Fügen von Siliziumcarbid(SiC)-Keramik mit Cr-Ni-Legierungen. Das Fügen unterschiedlicher Werkstoffe wie Keramik und Metall ist eine Schlüsseltechnologie für viele Hochtemperaturanwendungen. Cr-Ni- Legierungen sind die meistversprechenden Werkstoffe um die Einsatztemperatur von SiC-Fügezonen (über die derzeit mit CuAgTi-Loten erreichbaren ~400 C hinaus) zu erhöhen. Es wird davon ausgegangen, daß sowohl bei der Herstellung als auch beim Einsatz sämtliche Festigkeits-verändernden Reaktionen durch Modellierung der Diffusionsvorgänge beschreibbar sind. Die dazu benötigte wissenschaftliche Daten- und Werkzeugbasis konnte insbesonders durch zwei Resultate signifikant erweitert werden: 1. Aufgrund zuvor (FWF-Projekt P10736) erarbeiteter thermodynamischer Beschreibungen (Phasendiagramm) des Vierstoffs Cr-Ni-Si-C und seiner Subsysteme wurde der Diffusions-pfad für das Paar SiC-Keramik + Cr25Ni75 komplett aufgeklärt. Unter Diffusionspfad versteht man die Phasenabfolge in der Fügezone. Für das genannte Fügepartnerpaar lautet der Diffusionspfad bei 1000 C: SiC/dNi2 Si+Graphit/Cr3 Ni3 SiC/pCr3 Ni5 Si 2 /Cr 25Ni75. Aus der Temperatur- und Zeitabhängigkeit des Schichtdickenwachstums der einzelnen Phasen wurden die jeweiligen Interdiffusionskoeffizienten bestimmt. 2. Dieser Diffusionspfad enthält Phasen (wie z.B. dNi2 Si) mit sehr schmalem Homogenitäts-bereich (sogenannte "line compounds"), die üblicherweise in thermodynamischen Beschreibungen als stoichiometrische Verbindungen modelliert werden. Dies führt jedoch zu Unstetigkeiten beim sogenannten thermodynamischen Faktor, einer Funktion, die zur Modellierung des Diffusionsverhaltens benötigt wird. Durch Einführung eines "mittleren thermodynamischen Faktors" konnten diese Unstetigkeiten beseitigt werden, und damit ein brauchbares Werkzeug zur kinetischen Modellierung in "line compounds" geschaffen werden. Am Beispiel des binären Modellsystems Ni- Si, das viele "line compounds" aufweist, von denen Diffusionsdaten bekannt sind, konnte die Brauchbarkeit dieser Art von Modellier-technik demonstriert werden. Es wurde weiters eine Korrelation aufgezeigt zwischen den Selbstdiffusionskoeffizienten und den interatomaren Abständen in intermetallischen Verbindungen. Falls diese Korrelation allgemein gilt, wäre es eine sehr bedeutende Erweiterung der Diffusionsdatenbasis für solche Verbindungen.