5 Werkstofftechnik
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Iron aluminides depict a sustainable and light-weight material class which could be employed in many applications requiring high strength at intermediate to high temperatures. According to first results, the alloy Fe-26Al-4Mo-0.5Ti-1B surpasses conventional materials in wet corrosion resistance and creep resistance up to 650 °C. For these reasons, the AiF research project “WAFEAL – Materials applications for iron aluminides” was initiated to transfer these findings into a standardised materials dataset and to derive best practices for processing. In the first place, a set of different microstructures adjusted by varying casting methods, wall thicknesses and heat treatments was investigated and correlated with hardness on macro and micro scale. Correlations were drawn between solidification rates and resulting grain sizes and hardness. The effect of vacancy hardening was only verified for wall thickness as low as 2.5 mm. Moreover, a common decrease of macrohardness after a heat treatment at 1000 °C for 100 h was observed irrespective of casting process or wall thickness. This effect was linked with an unexpected decrease of the complex boride phase fraction which acts as a hardening phase.
With an increasing demand in more efficient fuel consumption to reduce CO2 emissions, weight reductions in high-temperature materials at affordable costs gain increasing attention. One potential candidate is the intermetallic material class of iron aluminides, combining the advantages in mass savings, high temperature performance and recyclability of resources. The alloy Fe-26Al-4Mo-0.5Ti-1B was selected to study the microstructural features evolving from two casting processes, five wall thicknesses and three final conditions. Conclusions are drawn upon the correlations of processing variables, grain sizes and hardness.
Zur Bewältigung der Herausforderung bei der Digitalisierung von Materialien und Prozessen ist eine mit allen Stakeholdern konsistente Kontextualisierung von Materialdaten anzustreben, d.h. alle erforderlichen Informationen über den Zustand des Materials einschließlich produktions- und anwendungsbezogener Änderungen müssen über eine einheitliche, maschinenlesbare Beschreibung verfügbar gemacht werden. Dazu werden Wissensrepräsentationen und Konzeptualisierungen ermöglichende Ontologien verwendet. Erste Bemühungen in den beiden Projekten Plattform Material Digital und Materials-open-Laboratory führten zur Erstellung von Anwendungsontologien, die Prozesse und Testmethoden explizit beschreiben. Dabei wurde u.a. der Zugversuch an Metallen bei Raumtemperatur nach DIN EN ISO 6892-1 ontologisch beschrieben. Diese als Beispiel dienende Ontologieentwicklung wird in dieser Präsentation vorgestellt.
Bei der Untersuchung von Bruchflächen werden zunächst Beobachtungen gemacht, d.h. makroskopische und mikroskopische Merkmale analysiert und in Bildern dokumentiert. Im zweiten Schritt werden anhand der gefundenen Merkmale Rissverlauf und Bruchmechanismen ermittelt. Abschließend sollen diese Ergebnisse in einem Bericht oder Gutachten zusammengefasst werden. Hierbei ist eine skizzenhafte Darstellung der fraktographischen Befunde hilfreich für das Verständnis des Lesers. Ein vorgefertigter fraktographischer Symbolsatz würde dies erheblich vereinfachen.
Skizzen von fraktographischen Befunden sind in der Literatur recht häufig zu finden, z.B. in der VDI 3822 oder dem ASM Handbook Fractography, allerdings gibt es hierzu keine umfassende Systematik, wie sie z.B. aus der Meteorologie (Wetterkarten), Geographie (Landkarten, Seekarten) oder Geologie (Bodenkarten) seit langer Zeit bekannt sind. Deshalb wird hier der Versuch unternommen, einen Symbolsatz zu entwickeln und zur Verfügung zu stellen, mit dessen Hilfe fraktographische Befunde in eindeutiger und übersichtlicher Weise veranschaulicht werden können. Der fraktographische Symbolsatz ("Fracto Graphics") befindet sich in Entwicklung, ist offen zur Diskussion sowie für Verbesserungen.
Um die Langzeitbeständigkeit von Hochtemperatur-Festoxidbrennstoffzellen (SOFC) sicherzustellen, ist das grundlegende Verständnis der viskosen Schließung oder Heilung von Rissen, als Folge wechselnder thermischer oder mechanischer Belastung, in Gläsern und teilkristallinen Materialien ein entscheidender Faktor. In Glas ist die Rissheilung hauptsächlich durch viskoses Fließen bestimmt. In teilkristallinen Schmelzen bewirkt der kristalline Volumenanteil die Erhöhung der effektiven Viskosität. Um die Auswirkungen des kristallinen Volumenanteils auf die Rissheilung zu ergründen, wurden Glasmatrixkomposite mit variierten inerten kristallinen Fülleranteilen, die während der Wärme-behandlung konstant blieben, hergestellt. Verwendet wurde ein kristallisationsträges Natrium-Calcium-Silicatglas und ZrO2 als inerter Füller. Komplexe, reproduzierbare Rissstrukturen wurden durch Vickers-Eindrücke erzeugt und die viskose Rissschließung während isothermer Wärmebehandlungs-schritte mittels Laser-Scanning-Mikroskopie verfolgt. Die Untersuchungen zeigen, dass, verglichen zum füllerfreien Glas, der kristalline Phasenanteil die effektive Viskosität erhöht und dadurch großräumiges Fließen verlangsamt. Dies verzögert das Aufweiten der Risse. Dieser Effekt erschwert die Rissverkürzung und führt oftmals zu großen gerundeten Kavitäten und dadurch zu einer verzögerten Rissschließung. Wird dieses Aufweiten verringert, ist zunächst ein lokales viskoses Fließen der Restglasphase weiterhin gegeben, sodass sich die Risse sogar schneller schließen. Für kristalline Anteile > 27 Vol% bildet sich dann ein stabiles Perkolationsgerüst aus, das die weitere Rissschließung auch lokal unterbindet. Nur innerhalb größerer glasiger Bereiche ist hierbei noch eine Rissschließung zu beobachten. Ein Optimum der Risslängenverkürzung konnte bei 17 Vol% beobachtet werden.
The following work deals with the quantitative fracture surface evaluation in damage analysis. So far, fracture surfaces have almost exclusively been evaluated qualitatively, i.e. the presence of fracture features is documented and their surface proportions are estimated, if necessary. Many years of experience are required, as well as an intensive comparison with defined comparative images from the literature. The aim of this work is the development of classifiers which can recognize fracture mechanisms or fracture features in scanning electron microscope images (SEM). The basis is 46 SEM images, which have been evaluated by fractography experts with regard to fracture features. The existing data set of images is expanded using augmentation methods in order to increase the variability of the data and counteract overfitting. Only convolutional neural networks (CNN) are used to create the classifiers. Various network configurations are tested, with the SegNet achieving the best results.
Tour de table - BAM
(2021)
Thermoelectric generators can be used as energy harvesters for sensor applications. Multilayer thermoelectric generators (ML-TEGs) are a promising alternative to conventional π-type generators due to their high filling factor, high capability of automated production and the texturing potential during the production process. Calcium cobaltite is a promising thermoelectric oxide (p-type) with highly anisotropic properties. The following study shows the development of a textured unileg ML-TEG using ceramic multilayer technology.
Tape-casting and pressure assisted sintering are applied to fabricate textured calcium cobaltite. Compared to conventional sintering, pressure assisted sintering increases the strength by the factor 10. Thermoelectric properties can be tuned either towards maximum power factor or towards maximum figure of merit depending on the pressure level.
As electrical insulation material, a screen-printable glass-ceramic with high resistivity and adapted coefficient of thermal expansion is developed. From various commercial pastes a metallization with low contact resistance is chosen. The unileg ML-TEG is co-fired in one single step. The demonstrators reach 80% of the simulated output power and the power output is highly reproducible between the different demonstrators (99%). These results provide the first proof-of-concept for fabricating co-fired multilayer generators based on textured calcium cobaltite with high power factor, high density, and high strength.
Thermoelektrische Generatoren können zum „Energy harvesting“ für den autarken Betrieb von bspw. Sensoren eingesetzt werden. Eine interessante Alternative zu den herkömmlichen π-Typ Generatoren sind auf Grund der höheren Leistungsdichte und der guten Automatisierbarkeit thermoelektrische Multilayergeneratoren. Calciumcobaltit ist ein vielsprechendes oxidisches Thermoelektrika (p-Typ) mit stark anisotropen Eigenschaften. Die hier vorgestellte Studie zeigt die Entwicklung von texturierten Unileg-Multilayer-Generatoren mittels keramischer Multilayertechnologie.
Calciumcobaltit wird durch Foliengießen und druckunterstützte Sinterung texturiert. Im Vergleich zur konventionellen Sinterung verbessert sich die Festigkeit um den Faktor 10. Die thermoelektrischen Eigenschaften können je nach verwendetem Druckniveau hinsichtlich maximalem Power Factor oder hinsichtlich maximalem Gütefaktor optimiert werden.
Ein Glaskeramikkomposit wird als Isolationsmaterial mit hohem Volumenwiderstand und angepasstem Wärmeausdehnungskoeffizienten entwickelt. Der Unileg-Multilayer-Generator wird in einem Schritt co-gesintert. Die hergestellten Demonstratoren erreichen 80% der simulierten Output-Leistung. Diese Ergebnisse stellen den ersten Machbarkeitsnachweis für die Herstellung von co-gesinterten Multilayer-Generatoren aus texturiertem Calciumcobaltit mit hohem Power Factor und hoher Festigkeit dar.
Thermoelectric generators can be used for energy harvesting by directly transforming a temperature gradient into a voltage. Multilayer generators based on low-temperature co-fired ceramics technology (LTCC) are an interesting alternative to conventional π-type generators. They exhibit several advantages like high filling factor, possibility of texturing, co-firing of all materials in one single-step, and reduction of production costs due to the high possible degree of automation. Pressure-assisted sintering enables the theoretical possibility of co-firing two promising oxide thermoelectric materials: Ca3Co4O9 (p-type) and CaMnO3 (n-type). Due to the large difference in sintering temperature (300 K) the process is very challenging.
In this work we show the material development of Ca3Co4O9, CaMnO3, insulation and metallization for multilayer generators co-fired under pressure at 900 °C. The materials are tailored regarding their sintering behavior, electrical performance and coefficients of thermal expansion. Different generator designs (unileg and pn-type) were fabricated and analyzed regarding crack formation, interaction layers and thermoelectric performance. Simulated stresses during cooling in the multilayers are compared with actual crack formation for different sintering conditions. This study shows that a lower pressure level and a lower level of complexity are beneficial for co-firing and performance.