In dieser Arbeit wurden drei zentrale Themen der PVD-Sputter-Dünnschichtherstellung sowie der Herstellung von Cr-Al-C-Dünnschichten adressiert. Diese sind der Einfluss des Beschichtungsprozesses und des Substrates auf die Schichteigenschaften im abgeschiedenen Zustand, die Cr2AlC-Phasenentstehung aus Cr-Al-C-Schichten mit amorpher und metastabiler Phase und die Entwicklung und Stabilität von Eigenspannungen während thermo-zyklischer und isothermer Beanspruchung. Für die Untersuchungen zum Einfluss des Beschichtungsprozesses wurden die für das Schichtwachstum relevante thermische Energie auf der Substratoberfläche und kinetische Energie der Beschichtungsspezies in einem möglichst weiten Spektrum variiert. Dies wurde durch die Verwendung der PVD-Beschichtungsverfahren HPPMS und DCMS in Kombination mit der Variation der Kammertemperatur und der Bias-Spannung realisiert. Der Fokus für den Einfluss des Substrates wurde auf die Materialeigenschaften spezifischer Widerstand und CTE gelegt. Der spezifische Widerstand beeinflusst die Wirkung der Bias-Spannung und somit die Schichteigenschaften im abgeschiedenen Zustand, während der CTE vor allem die thermisch induzierten Eigenspannungen infolge von Aufheizung und Abkühlung bestimmt. Für die Beschichtungen in dieser Arbeit wurden die Substrate IN718, WC-Co sowie Rubalit genutzt. Für die Untersuchungen der Phasenzusammensetzung, Cr2AlC-Phasenentstehung und Eigenspannungsentwicklung wurden in-situ und ex-situ Synchrotron- und Labor-XRD-Experimente genutzt. Diese Experimente wurden durch die Methoden der Elektronenmikroskopie und energiedispersiven Röntgenspektroskopie für die Betrachtung der Mikrostruktur und Elementanalyse ergänzt. Die Cr-Al-C-Schichten bestanden im abgeschiedenen Zustand aus einer amorphen Phase und kristallinem, metastabilem (Cr,Al)2C. Das Verhältnis dieser beiden Phasen wurde deutlich durch den Beschichtungsprozess bestimmt. Für die DCMS-Schichten mit geringer Bias-Spannung wurde qualitativ der höchste Gehalt an (Cr,Al)2C festgestellt, während die HPPMS-Schichten mit der höchsten Bias-Spannung den geringsten Gehalt an (Cr,Al)2C zeigten. Es konnte festgestellt werden, dass sowohl eine Erhöhung der Kammertemperatur von 600 °C auf 700 °C als auch die Reduktion der Bias-Spannung von −100 V auf −70 V zu einer Erhöhung des kristallin zu amorph Verhältnisses führte. Die Mikrostruktur der kristallinen Bereiche der Schichten auf IN718 und WC-Co reichte von gröberen, kolumnaren Körnern mit ausgeprägten Korngrenzen für die DCMS-Schichten bis zu einer fein-kolumnaren Mikrostruktur für die HPPMS-Schichten. Die in-situ Synchrotron Untersuchungen ermöglichten die Aufklärung der Cr2AlC-Phasenentstehung durch eine sehr hohe Zeit- und Temperaturauflösung. Die Ergebnisse bestätigten die folgenden Umwandlungsschritte für die Bildung von Cr2AlC aus der amorphen Phase und (Cr,Al)2C. - Amorphes Cr-Al-C und (Cr,Al)2C zu dis.-Cr2AlC - dis.-Cr2AlC zu Cr2AlC Die Erkenntnisse führen zudem zu einer neuen Definition der Cr2AlC-Phasenentstehung. Darüber hinaus können auf Basis der Ergebnisse aus den in-situ Synchrotron und Labor-XRD Experimenten folgende weitere Erkenntnisse formuliert werden: - Cr2AlC weist mindestens zwei metastabile Phasen auf – (Cr,Al)2C und dis.-Cr2AlC. - (Cr,Al)2C ist eine metastabile Phase, die während der Beschichtung entstehen kann. - dis.-Cr2AlC ist die Phase, die den Übergangszustand der Cr2AlC-Phasenentstehung aus einer amorphen Phase oder (Cr,Al)2C infolge einer nachträglichen Wärmebehandlung charakterisiert. - Der Übergangszustand während der Cr2AlC-Phasenentstehung ist durch einen Ordnungsprozess der Atome in der dis.-Cr2AlC-Elementarzelle mit steigender Temperatur und/oder Zeit bestimmt. - Die Bildung von Cr2AlC aus der amorphen Phase oder (Cr,Al)2C wird durch Diffusionsprozesse kontrolliert. Für die Bildungstemperaturen der Cr2AlC-Phasenumwandlung mit konstanter Aufheizrate von 30 K/min wurde eine Abhängigkeit vom Beschichtungsprozess festgestellt, wobei für den DCMS-Prozess die geringsten Bildungstemperaturen für dis.-Cr2AlC und Cr2AlC bestimmt wurden. Die Unterschiede sind vermutlich auf die Temperatur- und Zeitabhängigkeit der ablaufenden Diffusionsprozesse für die Bildung der Phasen zurückzuführen. Die Cr-Al-C-Schichten bestanden nach abgeschlossener Cr2AlC-Phasenentstehung primär aus Cr2AlC mit Cr7C3-Anteilen, die von der Elementzusammensetzung der Schichten im abgeschiedenen Zustand bestimmt wurden. So zeigten die HPPMS-Schichten und ehemaligen amorphen Bereiche erhöhte Cr7C3-Gehalte. Die Analyse der Eigenspannungen in den Cr-Al-C-Schichten im abgeschiedenen Zustand offenbarte eine deutliche Steigerung der lateralen intrinsischen Druckeigenspannungen für die HPPMS-Schichten im Vergleich zu den DCMS-Schichten. Diese ist das Resultat des erhöhten Ionenbombardements der wachsenden Schicht. Die Untersuchungen zum Eigenspannungszustand in den abgeschiedenen Cr-Al-C-Schichten führten darüber hinaus zu folgenden Erkenntnissen: - Es konnten keine Eigenspannungen in den kristallinen (Cr,Al)2C-Bereichen nachgewiesen werden. - Die amorphe Phase wirkt als Puffer für Eigenspannungen. - Hohe laterale intrinsische Druckeigenspannungen reduzieren die entstehenden lateralen thermischen Zugeigenspannungen für Schichten auf WC-Co und steigern die lateralen thermischen Druckeigenspannungen für Schichten auf IN718 während der Abkühlung von der Beschichtungstemperatur. - Die intrinsischen Eigenspannungen wirken nahezu planar, während thermisch induzierte Eigenspannungen zu triaxialen Spannungszuständen führen. Für Temperaturen von 700 °C und Haltezeiten von 2 h sowie für höhere Temperaturen wurde die Relaxation der intrinsischen Eigenspannungen festgestellt. Die Entwicklung der thermischen Eigenspannungen in den Cr-Al-C-Schichten wurde für drei aufeinanderfolgende Temperaturzyklen zwischen 100 °C und 900 °C untersucht. Aufgrund dessen, dass die intrinsischen Eigenspannungen bereits während der ersten Aufheizung auf 900 °C relaxierten, wurde der Eigenspannungszustand ausschließlich durch reversible thermische Eigenspannungen infolge der CTE-Unterschiede zwischen den Cr-Al-C-Schichten und den Substraten bestimmt. Für die Schichten auf IN718 konnte während der Abkühlung die Entstehung von lateralen Druckeigenspannungen, die mit vertikalen Zugeigenspannungen verbunden waren, festgestellt werden. Die Schichten auf WC-Co zeigten bei einer Abkühlung hingegen laterale Zugeigenspannungen, die mit vertikalen Druckeigenspannungen verbunden waren. Zudem konnte qualitativ der reversible Charakter der Eigenspannungen nachgewiesen werden, da der Eigenspannungsaufbau und -abbau für alle drei untersuchten Zyklen nahezu identisch verlief. Abschließend wurden die Schicht-Substrat-Kombinationen hinsichtlich möglicher Schädigungsmechanismen untersucht. Es zeigte sich, dass hohe laterale thermische Zugeigenspannungen in den Cr-Al-C-Schichten auf WC-Co zur Rissbildung in der Schicht führen. Im Falle des IN718-Substrates konnte eine Degradation der Schichten infolge von Interdiffusion festgestellt werden, da die verwendete TiAlN Interdiffusionsbarriere infolge von hohen intrinsischen Zugeigenspannungen versagte.:1 Einleitung 1 2 Stand der Forschung 5 2.1 Cr2AlC-MAX-Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1.1 Cr2AlC – Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.1.2 Cr2AlC – Herstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.1.3 Cr2AlC – metastabile Phasen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.2 Schichtherstellung mittels Magnetronsputtern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.2.1 Magnetronsputtern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.2.2 Vergleich von Direct Current Magnetron Sputtering und High Power Pulsed Magnetron Sputtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2.3 Vergleichbarkeit von Beschichtungsprozessen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.2.4 Einfluss des Beschichtungsverfahrens und der Beschichtungsparameter auf die Phasenentstehung von Cr-Al-C-Schichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.3 Eigenspannungen in Dünnschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.3.1 Entstehung von Eigenspannungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.3.2 Relaxation von Eigenspannungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.4 Röntgenographische Eigenspannungsbestimmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3 Experimentelles Vorgehen 23 3.1 Schichtherstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.2 Schichtcharakterisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.2.1 Elektronenmikroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.2.2 In-situ und ex-situ Röntgendiffraktometrieanalyse . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.2.2.1 Ex-situ Synchrotron-Röntgendiffraktometrie . . . . . . . . . . . . . 26 3.2.2.2 In-situ Hochtemperatur-Röntgendiffraktometrie . . . . . . . . . . . 27 3.2.3 Wärmebehandlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 4 Ergebnisse und Diskussion 31 4.1 Cr-Al-C-Schichten im abgeschiedenen Zustand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 4.1.1 Mikrostruktur und Elementzusammensetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 4.1.2 Phasenzusammensetzung, Textur und Bestimmung der Gitterparameter von (Cr,Al)2C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 4.1.2.1 Phasenzusammensetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 IInhaltsverzeichnis 4.1.2.2 (Cr,Al)2C-Textur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.1.2.3 Bestimmung der Gitterparameter von (Cr,Al)2C . . . . . . . . . . . 40 4.1.3 Einordnung der Phasenzusammensetzung der abgeschiedenen Cr-Al-C-Schichten in den aktuellen Literaturstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.2 Cr2AlC-Phasenentstehung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 4.2.1 In-situ Untersuchungen zur Cr2AlC-Phasenentstehung in Cr-Al-C-Schichten 44 4.2.2 Einfluss der Unordnung der Cr2AlC-Elementarzelle auf die Röntgenbeugung 53 4.2.3 Einordnung der Phasenumwandlungstemperaturen in den aktuellen Literaturstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 4.2.4 Textur und Texturvererbung während der Cr2AlC-Phasenentstehung . . . . . 60 4.2.5 Einfluss der Beschichtungsparameter auf die Phasenzusammensetzung nach erfolgter Cr2AlC-Bildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 4.3 Eigenspannungen in Cr-Al-C-Dünnschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 4.3.1 Eigenspannungen im abgeschiedenen Zustand . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 4.3.2 Eigenspannungsentwicklung und -stabilität während thermischer Belastung . 71 4.3.3 Schichtversagen infolge thermisch induzierter Eigenspannungen . . . . . . . 77 5 Zusammenfassung 81 Literaturverzeichnis 85 Abkürzungs- und Symbolverzeichnis 97 A 𝑄-Azimut Heat Maps von Einzelmessungen der Synchrotron Experimente 101

Das stoffschlüssige Fügeverfahren Löten ermöglicht vakuumdichte und hochtemperaturbeständige Verbindungen mit hoher Festigkeit. Es zeichnet sich insbesondere durch seine gute Eignung für die Fertigung von Massenteilen bzw. von Teilen mit vielen schwer zugänglichen Fügestellen aus. Grundvoraussetzung für die gezielte Optimierung des Lötprozesses ist das Verständnis der dabei ablaufenden physikalischen und chemischen Prozesse sowie des Einflusses der Lötparameter auf die Eigenschaften der Lötverbindung. Die Dissertation soll einen Beitrag zum Verständnis der beim Löten von Keramiken auftretenden physikalischen und chemischen Prozesse und der Wirkung der Prozessparameter liefern, um eine gezielte Optimierung des Lötprozesses zu ermöglichen. Dabei kommen erstmals in der Löttechnik durchgängig numerische Simulationsverfahren zum Einsatz. Die Schwerpunkte der Arbeit sind numerische Modelle und Simulationsstudien - sowie deren experimentelle Verifikation ? zur Benetzungskinetik des Lotes auf der Keramikoberfläche und der Spaltfüllung, den diffusionsgesteuerten Reaktionsmechanismen, die zur Umwandlung der Keramikoberfläche führen und den Spannungen in den Lötverbindungen. Mit Hilfe der verwendeten Simulationsmodelle für Benetzungsvorgänge lassen sich das Benetzungs - und das Spaltfüllvermögen von Loten auf metallisierter Keramik vorhersagen. Die numerischen Untersuchungen werden durch die Ergebnisse von Benetzungs- und Lötversuchen gestützt. Die Dicke der Reaktionszone besitzt einen entscheidenden Einfluß auf die Festigkeit der Lötverbindung. Zur Simulation des Reaktionszonenwachstums wird bisher ein Ansatz ohne Berücksichtigung des Temperaturzyklus verwendet. Dieser Ansatz ist für Lötprozesse wenig brauchbar, da insbesondere beim Keramiklöten langsames Aufheizen und Abkühlen erfolgt und die Haltezeit im Vergleich dazu gering ist. Aufheizen und Abkühlen oberhalb der Schmelztemperatur des Lotes tragen jedoch auch zum Reaktionszonenwachstum bei. Für definierte Aufheiz- und Abkühlraten ist dieser Anteil konstant und kann berechnet werden. Die entsprechende Gleichung gilt jedoch nur für eine konstante Löttemperatur, da der Wachstumskoeffizient exponentiell von der Temperatur abhängig ist und somit sensibel auf Temperaturschwankungen reagiert. Diese lassen sich jedoch beim Löten nicht vermeiden, so daß insbesondere bei kurzen Haltezeiten der exakte Temperaturzyklus berücksichtigt werden sollte. Damit wird es möglich, die Reaktionszonendicken beliebiger Temperaturzyklen vorherzusagen. Desweiteren kann mit dem Modell für Diffusionsprozesse in-situ in die Steuerung des Lötprozesses eingegriffen werden, falls Ist- und Sollkurve stark voneinander abweichen. Dabei läßt sich in Echtzeit ein äquivalenter Lötzyklus berechnen, der die gleichen Diffusionsprozesse bewirkt, wie der ursprünglich vorgesehene. Das Modell kann somit dazu beitragen, Ausschuß zu vermeiden. Neben der Berechnung der Dicke der Reaktionszonen in Metall-Keramik-Verbindungen ist es auch möglich, mittels thermodynamischer Berechnungen auf die darin enthaltenen Reaktionsprodukte zu schließen. Die vorausberechneten binären Phasen können auch experimentell nachgewiesen werden. Weiterhin lassen sich auch komplexe Phasen analysieren, die gegenwärtig numerisch noch nicht vorhergesagt werden können. Eine Vorhersage der Bildung dieser Phasen ist erst möglich, wenn die entsprechenden Reaktionsgleichungen aufgestellt werden können und die für die Berechnung der Änderung der freien Enthalpien der Reaktionen erforderlichen thermodynamischen Größen bestimmt wurden. Im Gegensatz zu schweißtechnischen Aufgabenstellungen wird bisher in der Löttechnik bei numerischen Simulationen der Spannungen in der Lötverbindung der Einfluß von Temperaturgradienten im Bauteil nicht berücksichtigt. Aus den Temperaturgradienten resultieren im Bauteil unterschiedliche thermische Dehnungen. Aufgrund dieser Dehnungsunterschiede entstehen Spannungen im Bauteil, die sich den durch die Differenz der Ausdehnungskoeffizienten der beteiligten Materialien verursachten thermischen Eigenspannungen überlagern. Überschreiten die resultierenden Spannungen die ertragbaren Spannungen eines Materials, kommt es zum Versagen des Bauteils. FEM-Simulationen gestatten die Berechnung der während des Lötzyklus im Lötverbund resultierenden Spannungen unter Berücksichtigung von Temperaturgradienten. Damit ist es möglich, den Einfluß unterschiedlicher Abkühlraten auf die Bauteilspannungen zu untersuchen, um zum einen möglichst kurze Durchlaufzeiten zu erreichen und zum anderen die ertragbaren Spannungen des Bauteils während des Lötprozesses sowie des späteren Einsatzes nicht zu überschreiten.

Im theoretischen Teil der Arbeit wird zunächst ein Überblick über die innere Struktur amorpher Spritzgußteile und die Theorie des freien Volumens gegeben. Es wird auf die Abhängigkeit der Relaxationszeiten von dem im Werkstoff vorhandenen Leerstellenvolumen (freien Volumen) bei Änderung der Temperatur, der Abkühlrate, der Alterungszeit und des Druckes sowie auf das Phänomen der Druckverdichtung eingegangen. Es wird untersucht, welche Bedeutung dem freien Volumen hinsichtlich des Deformationsverhaltens spritzgegossener amorpher Thermoplaste zukommt und inwieweit dessen Effekt bei den für die Praxis interessanten Spritzgußteilen unter Umständen durch andere Einflußgrößen wie Orientierungen und Eigenspannungen überdeckt wird. Betrachtet wird der Einfluß verschiedener Verarbeitungsparameter, der Formteildicke und der physikalischen Alterung (Zeit zwischen Verarbeitung und Prüfung der Spritzgußteile bzw. Tempern unterhalb der Glastemperatur) auf die innere Struktur des Kunststoffes und dessen Auswirkungen auf das resultierende Deformationsverhalten.

Im theoretischen Teil der Arbeit wird zunächst ein Überblick über die innere Struktur amorpher Spritzgußteile und die Theorie des freien Volumens gegeben. Es wird auf die Abhängigkeit der Relaxationszeiten von dem im Werkstoff vorhandenen Leerstellenvolumen (freien Volumen) bei Änderung der Temperatur, der Abkühlrate, der Alterungszeit und des Druckes sowie auf das Phänomen der Druckverdichtung eingegangen. Es wird untersucht, welche Bedeutung dem freien Volumen hinsichtlich des Deformationsverhaltens spritzgegossener amorpher Thermoplaste zukommt und inwieweit dessen Effekt bei den für die Praxis interessanten Spritzgußteilen unter Umständen durch andere Einflußgrößen wie Orientierungen und Eigenspannungen überdeckt wird. Betrachtet wird der Einfluß verschiedener Verarbeitungsparameter, der Formteildicke und der physikalischen Alterung (Zeit zwischen Verarbeitung und Prüfung der Spritzgußteile bzw. Tempern unterhalb der Glastemperatur) auf die innere Struktur des Kunststoffes und dessen Auswirkungen auf das resultierende Deformationsverhalten.

Das Ausmaß der Korrosion kann durch den Werkstoff- und Oberflächenzustand gesteuert werden. Wichtige Einflussgrößen sind die Rauheit, Kristallitgröße, Mikroverzerrung, Textur und Eigenspannungen. Am Beispiel von Kaltwalzprozessen werden Abhängigkeiten dieser Größen vom Umformgrad aufgezeigt, die in numerische Simulationen implementierbar sind und somit die Aussagefähigkeit der Berechnungen maßgeblich erhöhen können. Es wird in der vorliegenden Arbeit ein Modell zur qualitativen und quantitativen Erfassung der Zusammenhänge zwischen den Einflussgrößen und der Korrosionsrate vorgeschlagen. Am Beispiel eines unlegierten Stahls (DC04) kann damit die minimal mögliche Korrosionsrate in Schwefelsäure berechnet sowie ein optimierter Ablauf der Prozessroute beim Kaltwalzen abgeleitet werden, um dieses Minimum zu erreichen. Das Modell ist auf weitere Korrosionssysteme übertragbar, was am Beispiel von EN AW-1050/Schwefelsäure aufgezeigt wird. / The extent of corrosion can be controlled by the material and surface state. Important parameters are: roughness, crystallite size, microstrain, texture and residual stresses. Using the example of cold-rolling processes, the dependencies of these parameters on the plastic strain are shown that can be implemented in numerical simulations and allow increasing the information extracted from the calculations significantly. A model is proposed for determining qualitative and quantitative correlations between the corrosion-affecting parameters and the corrosion rate. Using a carbon steel (DC04), the minimal corrosion rate in sulphuric acid can be calculated and an appropriate processing route is suggested. The model can be adopted for other corrosion systems, which is shown for EN AW-1050/sulphuric acid.

In den letzten 20 Jahren näherte sich der einst nur für die Luft- und Raumfahrt entwickelte kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) mehr und mehr der industriellen Umsetzung in anderen Bereichen an. Die CFK-Halbzeuge und -Bauteile sind nun auch preislich in der Lage, unter Anwendung angepasster Fertigungsverfahren breiter eingesetzt zu werden. Der Fokus dieser Arbeit richtet sich exemplarisch auf die kosten- und energieeffiziente Herstellung von schnell laufenden CFK-Verbundwalzen und soll aufzeigen, dass Kostenersparnisse über Leane Fertigungsmethoden auch in der FKV-Industrie von großem Vorteil sind. Somit liefert diese Dissertationsschrift einen beispielgebenden Beitrag für den Durchbruch von Faserverbund-werkstoffen im industriellen Bereich. Darüber hinaus werden durch Prozessoptimierung Alternativen aufgezeigt, qualitativ hochwertigere und gleichsam kosteneffiziente Bauteile herzustellen.

Das stoffschlüssige Fügeverfahren Löten ermöglicht vakuumdichte und hochtemperaturbeständige Verbindungen mit hoher Festigkeit. Es zeichnet sich insbesondere durch seine gute Eignung für die Fertigung von Massenteilen bzw. von Teilen mit vielen schwer zugänglichen Fügestellen aus. Grundvoraussetzung für die gezielte Optimierung des Lötprozesses ist das Verständnis der dabei ablaufenden physikalischen und chemischen Prozesse sowie des Einflusses der Lötparameter auf die Eigenschaften der Lötverbindung. Die Dissertation soll einen Beitrag zum Verständnis der beim Löten von Keramiken auftretenden physikalischen und chemischen Prozesse und der Wirkung der Prozessparameter liefern, um eine gezielte Optimierung des Lötprozesses zu ermöglichen. Dabei kommen erstmals in der Löttechnik durchgängig numerische Simulationsverfahren zum Einsatz. Die Schwerpunkte der Arbeit sind numerische Modelle und Simulationsstudien - sowie deren experimentelle Verifikation ? zur Benetzungskinetik des Lotes auf der Keramikoberfläche und der Spaltfüllung, den diffusionsgesteuerten Reaktionsmechanismen, die zur Umwandlung der Keramikoberfläche führen und den Spannungen in den Lötverbindungen. Mit Hilfe der verwendeten Simulationsmodelle für Benetzungsvorgänge lassen sich das Benetzungs - und das Spaltfüllvermögen von Loten auf metallisierter Keramik vorhersagen. Die numerischen Untersuchungen werden durch die Ergebnisse von Benetzungs- und Lötversuchen gestützt. Die Dicke der Reaktionszone besitzt einen entscheidenden Einfluß auf die Festigkeit der Lötverbindung. Zur Simulation des Reaktionszonenwachstums wird bisher ein Ansatz ohne Berücksichtigung des Temperaturzyklus verwendet. Dieser Ansatz ist für Lötprozesse wenig brauchbar, da insbesondere beim Keramiklöten langsames Aufheizen und Abkühlen erfolgt und die Haltezeit im Vergleich dazu gering ist. Aufheizen und Abkühlen oberhalb der Schmelztemperatur des Lotes tragen jedoch auch zum Reaktionszonenwachstum bei. Für definierte Aufheiz- und Abkühlraten ist dieser Anteil konstant und kann berechnet werden. Die entsprechende Gleichung gilt jedoch nur für eine konstante Löttemperatur, da der Wachstumskoeffizient exponentiell von der Temperatur abhängig ist und somit sensibel auf Temperaturschwankungen reagiert. Diese lassen sich jedoch beim Löten nicht vermeiden, so daß insbesondere bei kurzen Haltezeiten der exakte Temperaturzyklus berücksichtigt werden sollte. Damit wird es möglich, die Reaktionszonendicken beliebiger Temperaturzyklen vorherzusagen. Desweiteren kann mit dem Modell für Diffusionsprozesse in-situ in die Steuerung des Lötprozesses eingegriffen werden, falls Ist- und Sollkurve stark voneinander abweichen. Dabei läßt sich in Echtzeit ein äquivalenter Lötzyklus berechnen, der die gleichen Diffusionsprozesse bewirkt, wie der ursprünglich vorgesehene. Das Modell kann somit dazu beitragen, Ausschuß zu vermeiden. Neben der Berechnung der Dicke der Reaktionszonen in Metall-Keramik-Verbindungen ist es auch möglich, mittels thermodynamischer Berechnungen auf die darin enthaltenen Reaktionsprodukte zu schließen. Die vorausberechneten binären Phasen können auch experimentell nachgewiesen werden. Weiterhin lassen sich auch komplexe Phasen analysieren, die gegenwärtig numerisch noch nicht vorhergesagt werden können. Eine Vorhersage der Bildung dieser Phasen ist erst möglich, wenn die entsprechenden Reaktionsgleichungen aufgestellt werden können und die für die Berechnung der Änderung der freien Enthalpien der Reaktionen erforderlichen thermodynamischen Größen bestimmt wurden. Im Gegensatz zu schweißtechnischen Aufgabenstellungen wird bisher in der Löttechnik bei numerischen Simulationen der Spannungen in der Lötverbindung der Einfluß von Temperaturgradienten im Bauteil nicht berücksichtigt. Aus den Temperaturgradienten resultieren im Bauteil unterschiedliche thermische Dehnungen. Aufgrund dieser Dehnungsunterschiede entstehen Spannungen im Bauteil, die sich den durch die Differenz der Ausdehnungskoeffizienten der beteiligten Materialien verursachten thermischen Eigenspannungen überlagern. Überschreiten die resultierenden Spannungen die ertragbaren Spannungen eines Materials, kommt es zum Versagen des Bauteils. FEM-Simulationen gestatten die Berechnung der während des Lötzyklus im Lötverbund resultierenden Spannungen unter Berücksichtigung von Temperaturgradienten. Damit ist es möglich, den Einfluß unterschiedlicher Abkühlraten auf die Bauteilspannungen zu untersuchen, um zum einen möglichst kurze Durchlaufzeiten zu erreichen und zum anderen die ertragbaren Spannungen des Bauteils während des Lötprozesses sowie des späteren Einsatzes nicht zu überschreiten.

Das Ausmaß der Korrosion kann durch den Werkstoff- und Oberflächenzustand gesteuert werden. Wichtige Einflussgrößen sind die Rauheit, Kristallitgröße, Mikroverzerrung, Textur und Eigenspannungen. Am Beispiel von Kaltwalzprozessen werden Abhängigkeiten dieser Größen vom Umformgrad aufgezeigt, die in numerische Simulationen implementierbar sind und somit die Aussagefähigkeit der Berechnungen maßgeblich erhöhen können. Es wird in der vorliegenden Arbeit ein Modell zur qualitativen und quantitativen Erfassung der Zusammenhänge zwischen den Einflussgrößen und der Korrosionsrate vorgeschlagen. Am Beispiel eines unlegierten Stahls (DC04) kann damit die minimal mögliche Korrosionsrate in Schwefelsäure berechnet sowie ein optimierter Ablauf der Prozessroute beim Kaltwalzen abgeleitet werden, um dieses Minimum zu erreichen. Das Modell ist auf weitere Korrosionssysteme übertragbar, was am Beispiel von EN AW-1050/Schwefelsäure aufgezeigt wird. / The extent of corrosion can be controlled by the material and surface state. Important parameters are: roughness, crystallite size, microstrain, texture and residual stresses. Using the example of cold-rolling processes, the dependencies of these parameters on the plastic strain are shown that can be implemented in numerical simulations and allow increasing the information extracted from the calculations significantly. A model is proposed for determining qualitative and quantitative correlations between the corrosion-affecting parameters and the corrosion rate. Using a carbon steel (DC04), the minimal corrosion rate in sulphuric acid can be calculated and an appropriate processing route is suggested. The model can be adopted for other corrosion systems, which is shown for EN AW-1050/sulphuric acid.

In diesem Beitrag wird über die erzielten Ergebnisse der durchgeführten simulativ-experimentellen Untersuchungen für additive Fertigung von komplexen Bauteilgeometrieflächen mittels 3D – Plasma-Auftragschweißen berichtet. Hierbei wurde mittels des 3D – Plasma-Pulver-Auftragschweißenes von komplexen Konturflächen für ein Werkzeugmodell und ähnliche Bauteilgeometrien aus reinem Schweißgut in Mehrlagentechnik beanspruchungsgerecht hergestellt. Infolge der Besonderheiten des 3D – Plasma-Auftragschweißenes mit großer Schweißgutvolumina wie stark abweichende Eigenschaften zwischen Grund-/ Auftragswerkstoff und asymmetrischer Wärmeeintrag sind die entstehenden Schrumpfungen, Verformungen/ Eigenspannungen besonders kritisch. Diese führen demzufolge zu Maß- und Formabweichungen sowie Bildung von Bauteilrissen, welche die Qualität der additiv plasma-auftraggeschweißten Bauteilstrukturen negativ beeinflussen können. Mittels des aufgebauten thermo-elastisch-plastischen Simulationsmodells wurden die auftretenden Temperaturfeldverteilung, Verformungen und Eigenspannungen während des additiven 3D – Plasma-Auftragschweißenes von Werkzeugkonturflächen vorausbestimmt und analysiert. Anhand des aufgebauten Ellipsoid-Wärmequellenmodells für Plasma-Pendelschweißprozess wurden die Temperaturfeldverteilung und deren Gradienten ermittelt. Darauf aufbauend wurden eine gekoppelte thermisch-elastisch-plastische struktur-mechanische Analyse durchgeführt. Mittels der Durchführung von werkstofflich-fertigungstechnischen Maßnahmen wie Verwendung von zähen Werkstofflegierungen, Grundköpervorwärmen und -festeinspannen wurden die damit entstehenden Bauteilverformung und -eigenspannungen simulativ kompensiert bzw. minimiert. Demzufolge wurden die damit erreichten Ergebnisse für die Herstellung endkonturnaher Werkzeugkonturflächen mit vordefinierten Schichteigenschaften praxisnah genutzt. Die dabei erreichten Simulationsergebnisse der Temperaturfeldverteilung und des Verformungs- und Eigenspannungszustandes präsentierten eine gute Übereinstimmung mit den Experimentresultaten.

Leichtbau zählt als eines der Zukunftstechnologien des 21. Jahrhunderts, um sowohl die Mobilitätsfragen von morgen zu beantworten als auch die klima- und energiepolitischen Ziele zu erreichen. Ein wesentlicher Fokus wird dabei auf Multi-Material-Systeme gelegt. Insbesondere die Kombination von faserverstärkten Kunststoffen und metallischen Legierungen zu sog. hybriden Laminaten zeigt ein hohes Substitutions- und Leichtbaupotential gegenüber klassischen monolithischen Konstruktionswerkstoffen. Vorrangig werden derartige hybride Schichtverbunde mit einer duroplastischen Matrix hergestellt, wodurch allerdings Restriktionen, bspw. gegenüber Produktivität, Recycling- und Lagerfähigkeit, resultieren. Eine besondere Alternative dazu bieten hybride Laminate auf Thermoplastbasis. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die am Bundesexzellenzcluster MERGE entwickelten neuartigen thermoplastbasierten Schichtverbunde Carbon Fibre-Reinforced Polyamid/Aluminium Laminate (CAPAAL®) und Carbon Fibre-Reinforced Thermoplastic Polyurethane/Aluminium Laminate (CATPUAL) erforscht und im optimierten variothermen Pressprozess hergestellt. Um die Werkstoffverbunde über die Grundlagenforschung hinaus, etwa in der industriellen Nutzung, zu etablieren, wurden umfangreiche Charakterisierungen und Fertigungsstudien durchgeführt. Zum einen erfolgten mikrostrukturell-analytische Untersuchungen u. a. zu der Imprägniergüte, der Oberflächenbehandlung der Aluminiumlegierung und des Versagensverhaltens. Zum anderen fanden mechanisch-technologische Charakterisierungen bezüglich quasi-statischer Versuche unter Zug- und Biegebelastung sowie Ermüdungsversuche unter Biegebelastung im Niedrig-Frequenzbereich statt. Die quasi-statischen Untersuchungen der Subkomponenten (Aluminiumlegierung, Verbundwerkstoff) und der hybriden Laminate wurden sowohl unter Raumtemperatur als auch unter definierten Temperaturbelastungen und Konditionierungszuständen durchgeführt, um deren Sensitivität zu analysieren sowie zu bewerten. Ebenfalls erfolgten analytische Berechnungen zur Auslegung der hybriden Schichtverbunde basierend auf der klassischen Laminattheorie und der Mischungsregel unter Einbeziehung des Metallvolumengehalts. Darüber hinaus wurden die thermisch induzierten Eigenspannungen analytisch ermittelt und in die Berechnungen der quasi-statischen Kennwerte inkludiert. Anhand der Untersuchungen konnte nachgewiesen werden, dass CAPAAL® und CATPUAL als „maßgeschneiderte“ Halbzeuge oder Strukturbauteile mit einem hohen Leichtbaupotential für großseriennahe Anwendungen prädestiniert sind. Diese weisen in Abhängigkeit der medialen Belastungen eine höhere Performance und ein weniger katastrophales Versagensverhalten als die entsprechenden Faser-Kunststoff-Verbunde auf. Zudem wurde konstatiert, dass eine hervorragende Ermüdungsfestigkeit unter Biegebelastung vorliegt. Die theoretischen Vorhersagen weisen vor allem über den Ansatz der Mischungsregel eine gute Korrelation zu den experimentell ermittelten Kennwerten auf.:1 Einleitung 2 Stand der Wissenschaft und Technik 3 Materialien und experimentelle Untersuchungen 4 Versuchsergebnisse und Diskussion 5 Bewertung der erzielten Ergebnisse 6 Ausgewählte Leichtbaulösungen 7 Zusammenfassung und Ausblick / Lightweight construction is considered one of the future technologies of the 21st century, both to answer tomorrow's mobility questions and to achieve climate and energy policy goals. A major focus is placed on multi-material systems. In particular, the combination of fibre-reinforced plastics and metal alloys to form so-called hybrid laminates shows a high substitution and lightweight construction potential compared to classic monolithic construction materials. Such hybrid laminates are primarily produced with a thermoset matrix, which results in restrictions, e. g. with regard to productivity, recyclability and storability. Hybrid laminates based on thermoplastics offer a special alternative. In the context of this work, the novel thermoplastic-based laminates Carbon Fibre-Reinforced Polyamid/Aluminium Laminate (CAPAAL®) and Carbon Fibre-Reinforced Thermoplastic Polyurethane/Aluminium Laminate (CATPUAL) were researched and produced in an optimised vario-heat pressing process. In order to establish the material composites beyond basic research, for example in industrial use, extensive characterization and manufacturing studies were carried out. On the one hand, microstructural-analytical characterisations were conducted, for example, on the impregnation quality, the surface treatment of the aluminium alloy and the failure behaviour. On the other hand, mechanical-technological investigations were carried out with regard to quasi-static tests under tensile and bending load as well as fatigue tests under bending load in the low-frequency range. The quasi-static tests of the subcomponents (aluminium alloy, composite material) and hybrid laminates were carried out both at room temperature and under defined temperature loads and conditioning conditions in order to analyse and evaluate their sensitivity. Analytical calculations for the design of the hybrid laminates based on the classical laminate theory and the rule of mixtures including the metal volume content were also considered. Furthermore, the thermally induced residual stresses were determined analytically and included in the calculations of the quasi-static characteristic values. Based on the investigations, it was possible to prove that CAPAAL® and CATPUAL are predestined as 'tailor-made' semi-finished products or structural components with a high lightweight construction potential for applications close to large-scale production. Depending on the medial loads, these exhibit higher performance and less catastrophic failure behaviour than the corresponding fibre-plastic composites. In addition, it was stated that there is an excellent fatigue strength under bending load. The theoretical predictions show a good correlation to the experimentally determined characteristic values, especially via the rule of mixtures approach.:1 Einleitung 2 Stand der Wissenschaft und Technik 3 Materialien und experimentelle Untersuchungen 4 Versuchsergebnisse und Diskussion 5 Bewertung der erzielten Ergebnisse 6 Ausgewählte Leichtbaulösungen 7 Zusammenfassung und Ausblick