Entwicklung einer Methodik für die quantitative Vorhersage der Schädigung in den Diffusionsschichten reaktivgelöteter BSCF-Stahl-Verbunde

• Antragsteller: Dr. Markus Apel; Professor Dr.-Ing. Christoph Broeckmann
• Fachliche Zuordnung: Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 392944287

Sauerstoffionenleitende Membranen aus Keramiken mit einer Perowskitstruktur wie Ba0,5Sr0,5Co0,8Fe0,2O3-d (BSCF) können zur Abscheidung von hochreinem Sauerstoff aus der Luft genutzt werden. Wird Sauerstoff in Hochtemperaturanwendungen über keramische Membranen abgetrennt, so kann dieser Sauerstoff energieeffizienter gewonnen werden als über Luftzerlegungprozesse. Für einen zuverlässigen Betrieb der Membranen, welche in der Regel Arbeitstemperaturen um 800°C haben, wird eine Fügung der Membranen an metallische Komponenten benötigt. Als ein geeignetes Verfahren für diese Werkstoffkombination wurde das Reaktivlöten an Luft identifiziert. Andere Lötverfahren sind aufgrund der thermodynamischen Instabilität des BSCF im Vakuum bisher nicht möglich. Beim Reaktivlöten mit einem Ag-Cu-Lot an Luft wird die Benetzung der Keramik durch Reaktionen des insito oxidierten CuO und der Keramik ermöglicht. Diese Reaktionen sind für eine Benetzung des Lots auf der Keramik notwendig. Je höher der Cu-Gehalt im Lot ist, desto besser ist auch die Benetzung auf der Keramik. Gleichzeitig führen die Reaktionen auch zu einer Schädigung der Keramik. Zusätzlich bilden sich Oxidschichten zwischen Lot und Stahl. Mechanische Versuche belegen, dass sowohl die Diffusionsschicht in der Keramik als auch die Reaktionsschicht zwischen Lot und Stahl eine Festigkeitsverminderung bewirkt. Daher ist das primäre Ziel des Vorhabens die Entwicklung einer Methodik für die quantitative Vorhersage der Schädigung in den Diffusionsschichten reaktivgelöteter Keramik-Stahl-Verbunde.Der erste Schritt ist eine thermodynamische Modellierung des Systems. Da eine vollständige Modellierung des Gesamtsystems Keramik/Lot/Stahl aufgrund der Komplexität im beantragten Projektumfang nicht möglich ist, wird die Modellierung in die vier Zonen unterteilt. Darauf aufbauend soll in einer Gefügesimulation die Mikrostruktur (Kornstruktur, Phasenanteil- und Verteilung) sowohl in der Reaktionsschicht als auch im Lot in ihrer räumlichen und zeitlichen Entwicklung möglichst realitätsnah abgebildet werden. Die berechneten Gefüge dienen als Grundlage für die mikromechanische Simulation zur Bewertung der Verbundeigenschaften und der Schädigungsentwicklung im Verbund. Durch die Simulation können die Wechselwirkungen zwischen den Fügepartnern und der Prozessführung abgebildet werden. Die anschließende mikromechanische Simulation basiert auf den simulierten Mikrogefügen und auf experimentell ermittelten 2D und 3D Gefüge (3D EBSD). Ziel der mikromechanischen Simulation ist die Vorhersage der Schädigungsentwicklung beim Löten. So können optimale Lötparameter (Cu-Gehalt, Löttemperatur, Prozessführung) ermittelt werden. Desweitern soll die Methodik auf andere Lötverbunde übertragbar sein. Beispielsweise zeigen sich bei anderen Keramiken (z.B. LSCF) ähnliche Reaktionen. Mit einer solchen Methodik können Prozessparameter beim Löten direkt mit den mechanischen Eigenschaften des Verbundes korreliert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen