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Hochtemperaturverhalten von Si3N4-Werkstoffen im System Si-Nd-Al-O-N

 
: Tangermann, K.

:
Fulltext urn:nbn:de:0011-px-491933 (4.8 MByte PDF)
MD5 Fingerprint: ba21a347ed7695d8b22bb43473f43523
Created on: 05.10.1999


Aachen: Shaker, 1998, 148 pp. : Ill.
Zugl.: Dresden, TU, Diss., 1998
Berichte aus der Werkstofftechnik
ISBN: 3-8265-4135-9
German
Dissertation, Electronic Publication
Fraunhofer IKTS ()
Hochtemperaturverhalten

Abstract
Das Ziel der Arbeit war es, Korrelationen zwischen der Konstitution der Korngrenzenphase und den Hochtemperatureigenschaften von Siliciumnitridwerkstoffen aufzustellen. Diese Korrelationen sind Basis für die Entwicklung kriechstabiler langzeit-hochtemperaturbeständiger Si3N4 - Werkstoffe. Zur Beurteilung der Korrelationen zwischen der Konstitution der Korngrenzenphase und dem Hochtemperaturverhalten von Si3N4 - Werkstoffen wurden folgende Hochtemperatureigenschaften untersucht: - Das Oxidationsverhalten der Si3N4-Werkstoffe im Temperaturbereich zwischen 1400 und 1500 °C, - das Kriechverhalten der Si3N4-Werkstoffe bei 1400 °C unter Biegespannungen von 100 bis 650 MPa, - das unterkritische Rißwachstumsverhalten in den Si3N4-Werkstoffen über dynamische Ermüdungsversuche im Temperaturbereich zwischen 25 und 1450 °C und bei unterschiedlichen Spannungsraten (2,5 · 10-2 und 4,2 · 10-2 MPa/s). Die Ergebnisse der Hochtemperaturuntersuchungen (Oxidation, Kriechen, SCG) zeigen den deutlichen Einfluß der Zusammensetzung der Korngrenzenphase auf das Hochtemperaturverhalten der Si3N4 - Werkstoffe. Über die Modifikation der Sekundärphasen (hochschmelzende Sinteradditive, Sekundärphasenkristallisation) ist es gelungen, kriechstabile langzeit-hochtemperaturbeständige Si3N4 - Werkstoffe herzustellen. Von den untersuchten additivhaltigen Si3N4 - Werkstoffen sind besonders Si3N4 - Werkstoffe mit einer Zusammensetzung im Phasensystem Si3N4 Nd10(SiO4)6N2 Nd2O3·Si3N4 durch ein exzellentes Hochtemperaturverhalten im Temperaturbereich zwischen 1400 und 1450 °C gekennzeichnet (Nd/Al-7, Nd/Si-2). Sie besitzen neben einer guten Oxidationsstabilität sowohl einen hohen Kriechwiderstand als auch einen hohen Widerstand gegenüber unterkritischer Rißausbreitung (Tabelle 24). Diese Eigenschaftskombination (hoher Kriechwiderstand und hoher Widerstand gegenüber unterkritischer Rißausbreitung) stellt für additivhaltige Si3N4 - Werkstoffe in den gefundenen Zusammensetzungen ein innovatives Materialkonzept dar.

Oxidation
Das gute Oxidationsverhalten der Nd2O3-reichen Si3N4 - Werkstoffe Nd/Al-7 und Nd/Si-2 bis 1400 bzw. 1450 °C basiert auf einem hohen Kristallisationsgrad der Sekundärphase sowie einer hohen Viskosität der Nd2O3 - reichen Restglasphase. Die minimale Eutektiktemperatur von ca. 1350 °C im System Nd-Si-Al-O-N schränkt allerdings die Oxidationsstabilität des Si3N4 Werkstoffes Nd/Al-7, aufgrund der steigenden Sauerstoffdiffusion in das Werkstoffinnere bzw. der Auswärtsdiffusion der Additivionen (Nd3+) an die Oxidationsoberfläche, ein. Ein weiterer Grund für die eingeschränkte Oxidationsstabilität ist der sich beim Abkühlen bildende höhere Anteil an Nd2O3-reichen kristallinen Phasen (Nd2Si2O7) in der Oxidationsschicht, der zu Spannungen innerhalb der Oxidschicht führt und ein teilweises Abplatzen der Schutzschicht unterstützt. Außerdem führt die Oxidation der quaternären Oxinitridphase Nd-N-Melilith in beiden Si3N4 Werkstoffen bei Temperaturen über 1400 °C (Nd/Al-7) bzw. über 1450 °C (Nd/Si2) zu einem Verlust der Oxidationsstabilität (1000 h).

Kriechverhalten
Die Kriechrate der Nd2O3 - reichen Si3N4 - Werkstoffe Nd/Al-7 und Nd/Si-2 liegt bei ca. 9 · 10-5 1/h (1400°C/ 200 MPa, Stufenversuch) bzw. bei 2 · 10-5 1/h (1400°C/ 200 MPa (Extrapolation)). Die Standzeit für den Werkstoff Nd/Si-2 bei einer Belastungsspannung von 200 MPa beträgt über 1000 h. Ein Vergleich dieser Ergebnisse mit denen von additivfreien Si3N4 - Werkstoffen (1 · 10-5 1/h und Standzeitdauer > 1000 h (1400°C/ 200 MPa) [Tan92]) zeigt, daß es über die Modifizierung der Korngrenzenphase möglich ist, kriechfeste additivhaltige Si3N4 Werkstoffe herzustellen. Vorraussetzung dafür ist ein hoher Kristallisationsgrad der Sekundärphase und eine hohe Viskosität der Restglasphase.

Unterkritische Rißausbreitung
Die Nd2O3 - reichen Si3N4 - Werkstoffe Nd/Al-7 und Nd/Si-2 besitzen außerdem einen sehr hohen Widerstand gegenüber unterkritischer Rißausbreitung. Bei 1450 °C trat bis zu einer Belastungsspannung von 450 MPa kein Versagen der beiden Si3N4 - Werkstoffe ein (2,5 MPa/s). Der aluminiumhaltige Werkstoff Nd/Al-7 besitzt bis zu einer Temperatur von 1400 °C und einer Belastungsspannung von 600 MPa (4,2 MPa/s) ein sehr stabiles Hochtemperaturverhalten (kein Versagen). Der hohe Widerstand gegenüber unterkritischer Rißausbreitung bei dynamischen Ermüdungsversuchen basiert auf Rißausheilungsprozessen. Die Ursache für diese Prozesse sind Oxidationserscheinungen an der Rißspitze, die zu einer Rißabstumpfung bzw. Rißausheilung führen.

Die gefundenen Abhängigkeiten zwischen der Konstitution der Sekundärphase und den Hochtemperatureigenschaften von Si3N4 - Werkstoffen wurden durch Untersuchungen an Modellgläsern unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung bestätigt. Die Eigenschaftskombination - hoher Kriechwiderstand und hoher SCG - Widerstand verdeutlicht das sehr hohe Potential der Nd2O3 - reichen Si3N4 - Werkstoffe Nd/Al-7 und Nd/Si-2 für einen Einsatz der Werkstoffe bei Temperaturen um 1400 °C.

Die Vorteile dieser Si3N4 - Werkstoffe, gegenüber additivfreien Si3N4 - Werkstoffen, bestehen: 1. Im sehr guten Eigenschaftsniveau bei Raumtemperatur (KIc > 8, 4BB 1100 MPa), 2. in der geringeren Rißsensibilität bei hohen Temperaturen und 3. in derTatsache, daß diese Si3N4 - Werkstoffe auch über das Gasdrucksintern verdichtet werden können.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/PX-49193.html