Hybride Werkstoffsysteme

Metallmatrix-Verbundwerkstoffe



Metallmatrix-Verbundwerkstoffe
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Metallmatrix-Verbundwerkstoffe verbinden die Eigenschaften von Metallen, wie z.B. Zähigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Bearbeitbarkeit mit denen von Keramikfasern wie z.B. Steifigkeit, Festigkeit und geringe Wärmeausdehnung.

Für besonders hohe Anforderungen können zur Erhöhung von Festigkeit und Steifigkeit Titanlegierungen direkt mit Keramikfasern verstärkt werden. Diese so genannten Titanmatrix-Verbundwerkstoffe (engl.: titanium matrix composites - TMC) werden in hoch belasteten Bauteilen lokal eingesetzt, um auftretende Spannungsspitzen aufzufangen. Mittels des Verfahrens der matrixbeschichteten Fasern werden am Institut für Werkstoff-Forschung Verstärkungselemente hergestellt, die durch Diffusionsschweißen oder Löten in das Bauteil eingebracht werden. Hierdurch lassen sich Spannungsreduktionen im Grundbauteil realisieren, wie dies im Bild dargestellt ist.

Einzigartig ist das am Institut für Werkstoff-Forschung entwickelte Herstellungsverfahren mittels matrixbeschichteten Fasern, wodurch sich Metallmatrix-Verbundwerkstoffe mit außergewöhnlich guten Eigenschaften herstellen lassen. Aufgrund der langjährigen Erfahrung im DLR existiert eine einzigartige Datenbasis speziell für die Titanmatrix-Verbundwerkstoffe. Aktuelle Forschungsarbeiten konzentrieren sich auf Entwicklung kostengünstiger Herstellverfahren.

Grundsätzlich können durch das Einbringen von Siliziumkarbidfasern Steifigkeit und Festigkeit unverstärkter Titanlegierungen um bis zu 100% gesteigert werden. Konkret bedeutet dies E-Module von rund 210 GPa und Zugfestigkeiten von 2200 MPa bei Raumtemperatur bei einem Faservolumengehalt von 45%. Abhängig von der als Matrix eingesetzten Titanlegierung werden Einsatztemperaturen von bis zu 550°C erreicht.

Bauteile mit besonders hohen thermischen und elektrischen Leitfähigkeiten und zugleich hohen Festigkeiten bei begrenzter Wärmeausdehnung lassen sich mit SiC-faserverstärkten Kupferlegierungen herstellen. Hierzu wird das ursprünglich für die faserverstärkten Titanlegierungen entwickelte Verfahren der matrixbeschichteten Fasern für SiC-faserverstärkte Kupferlegierungen angewendet. Das Ergebnis sind hochfeste Bauteile mit guter Wärmeleitfähigkeit, die zum Beispiel als Wärmesenken in Fusionsreaktoren oder Raketentriebwerken eingesetzt werden können und sich dabei durch höhere Lebensdauern und eine bessere Wärmeausdehnungs-Kompatibilität gegenüber den angrenzenden Bauteilen auszeichnen.


Kontakt
Dr.-Ing. Joachim Hausmann
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Institut für Werkstoff-Forschung
, Metallische Strukturen und hybride Werkstoffsysteme
Tel: +49 2203 601-2054

Fax: +49 2203 696480

E-Mail: Joachim.Hausmann@dlr.de
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http://www.dlr.de/wf/desktopdefault.aspx/tabid-2447/3634_read-5401/