Fügen keramischer Bauteile wird als Schlüsseldisziplin verfolgt

Dabei widmet man sich der Zuverlässigkeitsanalyse von Bauteilverbunden. Dazu kommen Finite-Elemente-Methoden und Postprozessoren für bruchmechanische Berechnungen zur Anwendung.

Damit wird die Überlagerung von mechanischen Eigen-, Verbund- und Lastspannungen analysiert. Die Ergebnisse, so die IWM-Wissenschaftler am Treffpunkt Keramik, zeigten die Notwendigkeit eines optimierten Bauteildesigns.

Eine wesentliche Voraussetzung dafür liegt in kraftschlüssigen Verbindungen. Das lässt sich am Beispiel einer Abgasklappe mit eingeschrumpftem keramischem Lager zeigen.

Kraftschlüssige Verbindungen und Löten im Metall-Keramik-Verbund möglich

Aber auch durch Löten ist ein Metall-Keramik-Verbund möglich. Dabei stellen sogenannte Aktivkomponenten in modernen Loten die Benetzbarkeit keramischer Verbindungsflächen sicher, eine vorhergehende Metallisierung entfällt.

Einen weiteren Ansatz bietet das sogenannte Reactive Air Braizing. Es ermöglicht auch ein Fügen an Luft, so dass eine aufwändige Vakuum-Prozesstechnik entfällt.

Jedoch gibt es auch Anwendungen, die nicht für metallische Lote geeignet sind, zum Beispiel bei extrem hoher Temperaturbelastung. In Hochtemperatur-Brennstoffzellen und Abgassystemen ist das der Fall. Dort herrschen stark korrosive Bedingungen. Für diese Anwendungen sind nichtmetallische Glaslote geeignet.

Laser optimieren den Lötprozess

Die Optimierung des Lötprozesses durch Einsatz von Lasern ist daher das Ziel eines BMBF-Verbundprojektes, in dem die computergestützten Simulationssysteme des Instituts für die Werkstoffcharakterisierung Auslegung der Fügestelle eingesetzt werden.

Das Fügen zweier keramischer Bauteile auf SiSiC-Basis für Lüfterräder durch Laserbehandlung ist Gegenstand eines weiteren laufenden BMBF-Projekts. Es ermöglicht die Reparatur großer komplexer Komponenten. Die für die Simulationen benötigten Werkstoffeigenschaften der keramischen und metallischen Fügepartner – zum Beispiel Wärmeleitfähigkeit, Wärmedehnung und E-Modul – werden am Institut temperaturabhängig ermittelt. Außerdem testet man die Fügestellen hinsichtlich Eigenspannungen (XRD) und Gefüge (REM) unter Echtzeitbedingungen.

Treffpunkt Keramik, Halle 5, Stand E40