Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-3788
Brünings, Steffen Erich; Steinbrech, Rolf Willi
Metallverstärkung von Keramik in thermisch gespritzten Mehrschichtsystemen
129 S., 2000
Plasmagespritzte Oxidkeramiken mit poröser, rißbehafteter, lamellarer Mikrostruktur zeichnen sich gegenüber den dichten Materialvarianten durch hohe Bruchtoleranz und gutes Thermoschockverhalten aus. Ihre mechanische Belastbarkeit ist aber wegen der niedrigen Biegefestigkeit von 20 - 40 MPa stark eingeengt. Durch den Einbau einer thermisch gespritzten Edelstahlzwischenlage lassen sich Festigkeit und Dehnungstoleranz erheblich steigern (Faktor fünf). Der Verstärkungseffekt beruht dabei im wesentlichen auf der Druckvorspannung der Keramiklagen durch die Unterschiede im thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen Keramik und Stahl. Eine Glühbehandlung erhöht die Eigenspannungen. In der vorliegenden Arbeit werden solche Plasmacermet-Multilagenstrukturen im Hinblick auf ihr thermoelastisches und thermomechanisches Verhalten detailliert untersucht und mit Hilfe von Eigenspannungsberechnungen modelliert.
Die Arbeit konzentriert sich auf drei Werkstoffkombinationen (Al2O3/NiCr 80 20/Al2O3, Spinell/CrAl 25 5/Spinell und Mg-ZrO2/CrAl 25 5/Mg-ZrO2), die alle von der Firma LWK-Plasmakeramik, Gummersbach, hergestellt werden. Charakterisiert werden als Funktion der Temperatur die Festigkeit der separierten Stahllagen und des Werkstoffverbundes sowie das elastische Verhalten der Keramiken und Stähle. Die thermoelastischen Kenngrößen gehen als wichtige Parameter in analytische, elastische Modellierungen der Eigenspannungen in den Multilagenstrukturen ein. Die Rechnungen, die für Rohrgeometrien ausgeführt werden, berücksichtigen neben der jeweiligen Werkstoffkombination auch den Anteil der Stahllage am Gesamtvolumen. Mikroskopische in situ Beobachtungen der Schädigungsvorgänge bei thermomechanischer Beanspruchung werden für ein Versagenskriterium herangezogen, das Schichtgeometrien definiert, die den Bruch der Keramikschichten gleichzeitig mit dem Versagen der Stahllage sicherstellen. Neben der analytischen Beschreibung der isothermen Spannungsverhältnisse in den Multilagenstrukturen kommen Finite Elemente Methoden zum Einsatz, um das Verhalten der Werkstoffverbunde unter Beanspruchung mit Temperaturgradienten zu ermitteln. Geometrische Konsequenzen für die Anordnung der Stahllage werden diskutiert.
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