Entwicklung von Zirkoniumlegierungen für tribologische Anwendungen und deren mikrostrukturelle und mechanische Charakterisierung
Final Report Abstract
Es wurde versucht, mit Hilfe von den Legierungselementen Cer, Yttrium, Tantal und Niob, sowohl die Haftfestigkeit der Oxidschicht, als auch die Festigkeit und Härte des Grundmaterials von oxidierten Zirkonium zu erhöhen. Durch die Entwicklung der neuen Legierung ZrNb7 konnte die Härte von 222 HV auf 270 HV und die Streckgrenze von 493 MPa auf 724 MPa gesteigert werden. Das Ziel die Oxidschichthaftung, durch Stabilisieren des tetragonalen Oxids, zu verbessern konnte nicht erreicht werden, da es nicht möglich war das zulegierte Yttrium und Cer im Zirkonium zu lösen. Somit bildeten sich im monoklinen Zirkoniumoxid Yttrium- bzw. Ceroxidausscheidungen anstatt des tetragonal stabilisierten Oxids. Als alternativer Ansatz um die Oxidschichthaftung zu verbessern wurde die Reduktion von Zirkoniumoxid zu Zirkonium und Sauerstoff eingesetzt. Diese Möglichkeit ist nach unserem Wissensstand nur bei Zirkonium, Titan und eventuell Hafnium möglich. Bei diesem Prozess wird oxidiertes Zirkonium in Vakuum wärmebehandelt, hierbei wird das Oxid reduziert und der freiwerdende Sauerstoff wird vom Substrat aufgenommen. Dadurch bildet sich eine Sauerstoffdiffusionszone mit gesteigerter Härte. Zusätzlich bildet sich innerhalb der Sauerstoffdiffusionszone eine α-Randschicht aus. In dieser dominiert der α-stabilisierende Effekt des Sauerstoffs über den β-stabilisierenden Effekt des Niobs. Mikrohärte- und EDX-Messungen zeigen, dass die Substrathärte mit zunehmendem Sauerstoffgehalt von 3,3 GPa auf 8 GPa steigt. Die Sauerstoffdiffusionszone senkt den Härtegradienten zwischen Oxid und Substrat stark ab. Dieser Effekt verbessert die Haftfestigkeit der Oxidschicht enorm. Die durchgeführten tribologischen Versuche müssen noch erweitert werden, da die gewählte Belastung nicht ausreichend war, um signifikante Unterschiede zwischen den Schichtsystemen aufzuzeigen. Durch die Entwicklung eines dreistufigen Oxidationsprozesses (Oxidation an Luft, gefolgt von einer Reduktion in Vakuum und einer erneuten Oxidation) kann die Haftfestigkeit von Haftfestigkeitsklasse 3 auf 1 gesteigert werden. Der Schichtaufbau besteht aus ca. 12 µm Oxid, ca. 3 µm α-Randschicht und einer Sauerstoffdiffusionszone von 20 – 30 µm.
