In Rahmen dieser Arbeit wurde ein Simulationsprogramm für Gießprozesse weiterentwickelt. Zunächst wurden die Richtigkeit der mathematischen Lösung und die Sensibilität der Software bestätigt. Dazu wurde ein Vergleich der berechneten mit den experimentellen Werten durchgeführt. Zur Messung der Wanddicke des erstarrenden Gussteils wurde eine neue Methode zur Visualisierung der Berechnungsergebnisse erarbeitet. Anhand zweier Beispiele zur Berechnung eines dünnwandigen, komplizierten Al-Gussteils und eines exothermischen Speisers wurde eine korrekte Nutzung neuer Gießtechnologien aufgezeigt. Das Simulationssystem wurde speziell für das Stranggießen modifiziert. Die neu entwickelten Berechnungsalgorithmen sowie die Visualisierungsmöglichkeiten erlauben eine exakte Modellierung des Strangabzuges in der Gießmaschine. Auch in diesem Falle liefert der Vergleich zwischen den durchgeführten Berechnungen und den erzielten Versuchswerten die Richtigkeit und Exaktheit der neu eingesetzten Methode.

Es wurde das Verzinkungsverhalten von Baustahl beim Stückverzinken im technisch nutzbaren Bereich untersucht. Dazu wurde das Schichtwachstum der Zinküberzüge bei Verwendung konventioneller ZnPb-Schmelze anhand von Schichtdicken und Gefügeausbildungen in Ab-hängigkeit von den relevanten Parametern ermittelt. Weiterhin wurde der Einfluss des Was-serstoffs im Stahl auf die Schichtbildung beim Feuerverzinken eingeschätzt. Das Resultat ist eine umfassende Modellvorstellung der Schichtbildungsvorgänge beim Feuerverzinken von 435°C bis 620°C. Sie erklärt das Verzinkungsverhalten von Baustahl und trägt zum Verständnis vieler Phänomene beim Feuerverzinken bei. Weiterhin wurden Überzüge aus legierten Zinkschmelzen untersucht. Die Ergebnisse wurden hinsichtlich der Wirkung der einzelnen Legierungselemente in der Zinkschmelze interpretiert. Dem Anwender wird ein Leitfaden zur Verfügung gestellt, der Vor- und Nachteile der in der Praxis verfügbaren Zinkschmelzen beschreibt.

Das thermische Spritzen ist ein industrieller Beschichtungsprozess, der hauptsächlich zum Schutz oder zur Funktionalisierung von Bauteiloberflächen eingesetzt wird. In der Regel werden mit diesem Verfahren Schichten mit einer Dicke von 50 bis zu einigen 100 Mikrometern aufgetragen, die überwiegend durch mechanische Verklammerung haften, wodurch die Materialeigenschaften des Bauteils weitgehend erhalten bleiben. Mit der Einführung von Suspensionen als neue Kategorie der Spritzzusätze etabliert sich gerade eine der weitreichendsten Innovationen der letzten Jahre auf dem Gebiet des thermischen Spritzens. Suspensionen sind Stoffgemische, die aus einer feindispersen, festen Phase, dem Schichtwerkstoff, und einer flüssigen Phase als Trägermedium bestehen. Damit können Partikel mit geringerer Größe in den Beschichtungsprozess eingebracht werden, so dass sich dünnere Schichten und feinere Mikrostrukturen realisieren lassen. Das thermische Spritzen mit Suspensionen erweitert damit den Anwendungsbereich und bildet eine Brückentechnologie zu den Vakuum- Dünnschichtverfahren. Im Fokus dieser Arbeit stehen die drei wichtigen keramischen Werkstoffe Aluminiumoxid, Chromoxid und yttriumstabilisiertes Zirkonoxid, die in der Form von wasserbasierten Suspensionen als Spritzzusätze für das Atmosphärische Plasmaspritzen (APS) und das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF) verwendet werden. Für die Injektion der Suspension in das Plasma oder die Flamme wird ein automatisiertes Suspensionsfördersystem verwendet. Darüber hinaus werden spezielle mehrteilige Injektoren entwickelt und getestet. Es werden neue Erkenntnisse zur statistischen Auswertung der Zusammenhänge zwischen den Injektionsparametern, den messbaren Eigenschaften der Tropfenwolke während der Zerstäubung, den Partikeleigenschaften im Spritzstrahl und den daraus resultierenden Schichteigenschaften vorgestellt. Dafür wurde eine neue Kenngröße für den Beschichtungserfolg, ein sogenannter Beschichtungsfaktor, hergeleitet, der sich mit vergleichsweise geringem Aufwand bestimmen lässt und außerdem die zusätzlichen Prozessvariablen beim Suspensionsspritzen mit berücksichtigt. Im Anschluss werden Beispiele für wasserbasierte, suspensionsgespritzte Schichten aus den drei keramischen Werkstoffen vorgestellt, bei denen durch entsprechende Charakterisierungsmethoden das Anwendungspotential im Vergleich zu Spritzschichten nach dem Stand der Technik verdeutlicht wird. Die Anwendungsgebiete umfassen dabei die elektrische Isolation, den Verschleißschutz sowie die thermische Isolation. Den Abschluss der Arbeit bildet eine kritische Diskussion der Eignung von wasserbasierten Suspensionen für das thermische Spritzen mit Plasma- und Flammspritzprozessen. Es werden die Vor- und Nachteile dieser Beschichtungstechnik analysiert und Verbesserungsvorschläge sowohl für die weitere Suspensions- als auch für die Anlagenentwicklung unterbreitet.

Galvanometer laser machining is a well-established laser machining technique in which the laser beam is positioned on a working field by means of mirrors mounted in galvanometers. Nonetheless, new applications make necessary the development of innovative techniques for increasing the performance of such systems. Aside all the advantages of this technique like given resolution, repeatability and velocity, a limited working area is an important drawback. In this thesis work, the limitations of different state-of-the-art schemes for increasing the working field of galvanometer laser machining systems are examined. The necessity of a new strategy for reducing present deviations introducing a vision system is established. The construction of an error vector and calculation of coordinate’s transformations to improve precision are presented. In this work, the “Arithmetic mean transformation”, “individual correction transformation”, “iterative inverse distance weighting transformation” and a stitching approach denominated “Auto-stitching” are presented and demonstrated as methods for reducing inherent deviations in galvanometer scanning systems for large area processing.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Modifizierung von Beschichtungen auf Basis von diamantähnlichem Kohlenstoff (DLC). Die Modifizierung erfolgte mittels Elektronenstrahl (eBeam) und sollte der Oberflächenfunktionalisierung durch die Steuerung der Zelladhäsion dienen. Das Anwendungsfeld der modifizierten DLC-Schichten findet sich im biomedizinischen Bereich. Als Anwendungsbeispiel wurden Aktoren aus Formgedächtnislegierung (FGL) herangezogen. Diese sollen in Hüftendoprothesen genutzt werden. Ihre Aufgabe ist es, bei Implantatlockerung eine Wiederverankerung im Knochen, ohne äußeren Eingriff zu ermöglichen. Die Aktoren stellen an eine Beschichtung besondere Herausforderungen hinsichtlich Schichtstabilität und -flexibilität, Zelladhäsion sowie Barrierefunktion. Im Folgenden werden die untersuchten Schwerpunkte mit Bezug auf dieses Anwendungsbeispiel zusammenfassend dargestellt. Im ersten Abschnitt der vorliegenden Arbeit wurden vier Abscheidemethoden für DLC-Beschichtungen verglichen: die plasmaaktivierte chemische Gasphasenabscheidung (PA CVD), das Magnetronsputtern (PVD-Spu), und die Lichtbogenverdampfung ungefiltert und -gefiltert (PVD-Arc bzw. PVD-Arcfil). Aus diesen Abscheidemethoden sollte eine für das medizintechnische Einsatzgebiet geeignete Methode zur DLC-Abscheidung ausgewählt werden. Dafür wurden folgende Kriterien untersucht: Schichtmorphologie und stabilität, Biokompatibilität und die Möglichkeit zur Modifizierung mittels eBeam. Es zeigte sich, dass mittels Magnetronsputtern homogene DLC-Schichten abgeschieden werden können. Diese Beschichtungen zeigen im Vergleich zu den Beschichtungen der anderen Abscheideverfahren die beste Biokompatibilität. Die Modifizierung der Schichten mittels eBeam ermöglicht eine gezielte Verringerung der Zelladhäsion auf den Oberflächen, ohne zelltoxische Nebenwirkungen. Mit diesem Resultat wird die ausgewählte Beschichtung den Funktionsansprüchen des Anwendungsbeispiels gerecht. Als Anwendungsbeispiel wurden Aktoren einer intelligenten Hüftendoprothese herangezogen. Die Aktoren bestehen aus FGL-Material und sollen im Anwendungsfall eine intrakorporale Verformung durchführen. Die DLC-Beschichtung soll den Austritt von toxischen Nickelionen aus diesem Material verringern. Daher ist die Stabilität der DLC-Schichten auf den Aktoren für den zielgerechten Einsatz von grundlegender Bedeutung. Die Formflexibilität von DLC-Schichten ist aus der Literatur bekannt, womit sie eine geeignete Barrierebeschichtung für verformbare Bauteile darstellen, ohne dabei die Funktion des Substratmaterials zu beeinträchtigen. Grundlage für diese Formflexibilität stellen eine gute Schichthaftung und Langzeitstabilität dar. Auch an dieser Stelle zeigten die mittels Magnetronsputtern abgeschiedenen DLC-Schichten sehr gute Ergebnisse. Selbst die Beanspruchung durch wiederholte Desinfektion und Sterilisation führte bei dieser Beschichtung zu keiner Veränderung. Im Anwendungsbeispiel Hüftendoprothese kann es an der Implantat-Knochen-Schnittstelle zu Mikrobewegungen kommen. Durch die im Vergleich zu den anderen Beschichtungen sehr guten Ergebnisse der PVD-Spu-Schichten bei der tribologischen Charakterisierung, stellen diese Schichten eine für das Anwendungsbeispiel geeignete Beschichtung dar. Ein geringer Reibwert gewährleistet dabei eine ungestörte Gewebsintegration. Das Magnetronsputtern wurde basierend auf diesen Ergebnissen als geeignete Abscheidemethode für die DLC-Beschichtung von Implantatmaterialien ausgewählt. Im zweiten Abschnitt der Arbeit wurden die Modifizierung der Beschichtung, die Reaktion im biologischen Kontakt und die Barrierefunktion der Schichten bewertet. Durch die eBeam-Modifizierung der DLC-Beschichtung wird eine Hydrophilierung erzielt, die mit einer signifikanten Verringerung der Zellzahl auf der Oberfläche verbunden ist. Nach Beurteilung der Schichtmorphologie von unbehandelten und modifizierten DLC-Oberflächen konnte ausgeschlossen werden, dass die Hydrophilierung auf Veränderungen der Oberflächenmorphologie zurück zu führen ist. Vielmehr wurden chemisch-energetische Veränderungen als Ursache identifiziert, wobei die indirekte eBeam-Wirkung während der Modifizierung zum Tragen kommt. Die Intensität der Hydrophilierung ist dosisabhängig und zeigt eine Art Sättigungsverhalten ab 500 kGy. Es konnte gezeigt werden, dass durch die Modifizierung der Anteil stickstoff- und sauerstoffhaltiger Funktionalitäten auf der DLC-Oberfläche zunimmt. Die Verringerung der Zellzahl, welche ebenfalls eine Art Sättigung bei 500 kGy zeigt, steht über die Proteinadhäsion mit diesen Veränderungen in direktem Zusammenhang. In Korrelation mit der Literatur scheint es durch die Zunahme der sauerstoffhaltigen Funktionalitäten zu einer veränderten Proteinadhäsion zu kommen. Dabei wird die Proteinkonformation verändert, was die anschließende Zelladhäsion verringert. Mittels eBeam können sehr feine Strukturen bis in den Mikrometerbereich modifiziert werden, was bedeutet, dass damit die Zelladhäsion in den aneinander angrenzenden Bereichen des Aktors gezielt eingestellt werden kann. Damit wird die DLC-Beschichtung mit dieser Modifizierung den Funktionsansprüchen des Aktorbauteiles gerecht. Die Analyse der Langzeitstabilität zeigte, dass die Modifizierung sowohl an Luft als auch in phosphatgepufferter Salzlösung (PBS) über einen Zeitraum von mindestens zwei Monaten stabil ist. Somit kann für das Anwendungsbeispiel die Modifizierung bereits langfristig vor dem Einsatz eines Implantates erfolgen. Bisher wurden derartige Modifizierungen hauptsächlich mittels Plasmabehandlung durchgeführt. Im Gegensatz zur vorliegenden Arbeit können damit jedoch keine zeitlich stabilen Effekte erzielt werden. Weitere Nachteile der Plasmamethoden ergeben sich durch Materialveränderungen und verhältnismäßig lange Prozesszeiten. Weiterhin wird laut Literatur bei der Plasmabehandlung von DLC-Oberflächen eine Steigerung der Zelladhäsion erzielt. In der vorliegenden Arbeit besteht das Ziel jedoch in der Verringerung der Zelladhäsion, wodurch sich auch unter diesem Aspekt die eBeam-Modifizierung gegenüber der Plasmamodifizierung als vorteilhaft erweist. Zusätzlich wurde neben der Langzeitstabilität für die eBeam-modifizierten DLC-Beschichtungen auch eine Stabilität gegenüber chemisch-mechanischer Reinigung mit anschließender Dampfsterilisation belegt. Da jedoch die FGL-Aktoren im Anwendungsbeispiel durch thermischen Energieeintrag aktiviert werden, könnte die herkömmliche Anwendung der Dampfsterilisation ein Problem darstellen. Auch dafür bietet die eBeam-Behandlung als alternative Sterilisationsmethode einen Lösungsansatz. Mit einer Sterilisationsdosis von lediglich 25 kGy ist die Anwendung des eBeams sowohl zur Sterilisation von unbehandelten als auch modifizierten DLC-Oberflächen möglich, ohne deren Eigenschaften oder die des beschichteten Substrates zu beeinflussen. Die eBeam-Modifizierung der DLC-Oberflächen bietet basierend auf den vorliegenden Ergebnissen eine Möglichkeit zur Steuerung der Zelladhäsion, da in den modifizierten Bereichen eine signifikante Verringerung der Zellzahl erzielt wird. Eine Verringerung der Zellzahl ist für die beweglichen Bereiche der FGL-Aktoren besonders wichtig, um deren Funktion zu gewährleisten (s. Abbildung 1). Für die modifizierten Schichten werden dabei keine Beeinträchtigung der Zellvitalität oder Veränderungen der Phasen des Zellzyklus festgestellt. Weiterhin ist belegt, dass von diesen Beschichtungen kein erhöhtes Entzündungspotential ausgeht, was den uneingeschränkten Einsatz der modifizierten DLC-Beschichtungen im biomedizinischen Bereich ermöglicht. Die unbehandelten DLC-Oberflächen hingegen sollen im Anwendungsbeispiel eine schnelle Implantatintegration gewährleisten. Auch diesem Anspruch wird die Beschichtung gerecht, da die osteogene Differenzierung humaner mesenchymaler Stammzellen auf diesen Oberflächen uneingeschränkt verläuft. Die Analyse des Calciumgehaltes als späten Differenzierungsmarker lässt sogar auf einen stimulierenden Effekt durch die Schichten schließen. Folglich kann für den Anwendungsfall der Hüftendoprothese eine beschleunigte Osseointegration erwartet werden. Die größte Herausforderung für die DLC-Beschichtungen bestand in der Verringerung des Nickelaustrittes aus dem FGL-Material. Die Ergebnisse der Extraktionsversuche belegen, dass aus unbeschichteten FGL Nickelionen austreten und die Stoffwechselaktivität von Osteoblasten beeinflussen. Auf DLC-beschichteten Proben hingegen kann kein messbarer Austritt von Nickelionen festgestellt werden. Im Direktkontakt mit humanen Osteoblasten zeigt sich auf den unbeschichteten FGL eine unnatürliche Zellmorphologie, was auf den Nickelaustritt zurückgeführt werden kann. Dahingegen erscheinen die Zellen auf den DLC-beschichteten Oberflächen in vitaler Morphologie. Diese Ergebnisse demonstrieren die Wirksamkeit der DLC-Beschichtung als Barriere gegenüber dem Austritt von Nickelionen. Zusammenfassend wird festgestellt, dass das Magnetronsputtern die Abscheidung von DLC-Schichten ermöglicht, die dem Anwendungsbeispiel Hüftendoprothese mit FGL-Aktor sowohl hinsichtlich Barrierefunktion als auch Biokompatibilität gerecht werden. Die Modifizierung mittels eBeam gewährleistet dabei die gezielte Steuerung der Zellzahl, wodurch die DLC-Beschichtungen auch die biofunktionalen Ansprüche des Anwendungsbeispiels bedienen. DLC-Beschichtungen weisen aufgrund ihrer großen Variabilität hinsichtlich Materialeigenschaften und der sehr guten Biokompatibilität ein breites Spektrum für biomedizinische Anwendungen auf. Die eBeam-Modifizierung der Beschichtungen eröffnet aufgrund ihrer Langzeitstabilität darüber hinaus weitere Einsatzfelder. Vor allem die Option einer partiellen Oberflächenmodifizierung ermöglicht es, variierenden Funktionsansprüchen zahlreicher Anwendungen gerecht zu werden und die im Rahmen der vorliegenden Arbeit gewonnen Erkenntnisse auf weitere Einsatzfelder zu übertragen.

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde das Wirken von Autokorrelation auf das Verhalten von Materialflusssystemen anhand von Realdaten analysiert. Hintergrund waren theoretische Untersuchungen, die einen deutlichen Einfluss von abhängigen Ereignissen auf die Leistung von Materialflusssystemen erkennen lassen. Mit Hilfe der Projektpartner konnte eine große Menge von Echtdaten zusammengetragen werden. Insgesamt wurden 52 Datensätze auf zeitliche Abhängigkeiten der Ereignisse untersucht. Dabei bestätigte sich die Vermutung, dass Autokorrelation durch z. B. Batchbildung oder Prioritätsregeln allgegenwärtig in Erscheinung tritt. In ca. 95 % aller Datensätze konnte signifikant Autokorrelation nachgewiesen werden. Im Rahmen der Untersuchung konnten eine Reihe unterschiedlicher Korrelationsstrukturen nachgewiesen werden. Diese unterschieden sich sowohl in der Stärke, in der Ausprägung (positiv oder negativ) als auch im Abklingverhalten. Der größte Einfluss auf das Systemverhalten geht von der Stärke und der Ausprägung der Autokorrelationskoefizienten aus. Im Rahmen des Projektes konnten unterschiedliche Verfahren zur Erzeugung autokorrelierter Ereignisse identifiziert und bewertet werden. Beispielhaft zu erwähnen ist die TES-Methode, der Minification- bzw. Maxification-Ansatz oder spezielle Markov-Ketten. Als am besten geeignet hat sich der sog. ARTA-Ansatz herausgestellt. Der ARTA-Ansatz wurde in einer Java-basierenden Software-Bibliothek namens „JARTA“ umgesetzt. Diese ist frei verfügbar sowie variabel und einfach einsetzbar. Durch das Forschungsvorhaben wurde das Bewusstsein um das Auftreten und Wirken von Autokorrelation in logistischen Systemen geschärft. Projektpartner bestätigen, dass durch gezielte Untersuchung auf Abhängigkeiten Fehler bei der Systementwicklung und beim Systembetrieb verringert werden konnten.

Diese Arbeit untersucht das Versagen von Faser-Kunststoff-Verbunden an dem Material Glasfaser/Epoidharz. Die mechanischen Eigenschaften des Epoxidharzes werden mitteln Zug-, Druck, und Torsionsversuch ermittelt und mittels eines eigen entwickelten Werkstoffmodells abgebildet. Das Versagen innerhalb eines Rovings wird mithilfe von Mikromodellen bestimmt, in denen das Werkstoffmodell der Matrix eingesetzt wird. Der Fokus liegt dabei auf der Ermittlung eines geeigneten repräsentativen Volumenelementes (RVE) für die Mikrostruktur und die Ausarbeitung der Effekte aufgrund des Skalenübergangs. Mit diesem RVE der Mikrostruktur wird das Bruchkriterium nach A. Puck. anhand virtueller Experimente kalibriert und in einem Mesomodell eingesetzt. Das Mesomodell bildet einen auf Druck beanspruchten Rohrprüfkörper ab und wird mit dem entsprechenden Experiment verglichen, um das Bruchverhalten des Rovings zu validieren.

Untersuchungen der Hochtemperaturbenetzung und Grenzfächeninteraktionen in Flüssigmetall/Übergangsmetall-Diborid-Systemen werden durch die technologische Nachfrage nach qualitative hochwertigen Metall-Matrix-Kompositen und verläßlichen Verbindungen von Ultrahochtemperaturkeramiken für aggressive chemische und/oder thermische Umgebungen angetrieben. Die physikalischen und chemischen Charakteristika der Metall/Keramik-Grenzflächen (z.B. die Benetzungskinetik, Grenzflächenreaktionen und die Phasenbildung) sind unerläßlich um die fundamentalen Mechanismen, die kontrollierenden technologischen Parameter, sowie die definierenden Eigenschaften und die Qualität des Endprodukts zu verstehen. Die Methode des liegenden Tropfens (engl. sessile drop method) ist die am häufigsten verwendete Verfahren für die quantitative Charakterisierung der Benetzungseigenschaften und für die direkte Untersuchung von Grenzflächeninteraktionen zwischen Flüssigmetall und festen Substraten unter Zuhilfenahme von Mikroskopie. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Hochtemperaturbenetzung und den Grenzflächeninteraktionen von geschmolzenen reinem Al und Ti-Al, Ni-Al und Ni-B Schmelzen mit der TiB2 Ultrahochtemperaturkeramik. Die über die Methode des liegenden Tropfens hergestellten Metall/Keramik Verbunde werden hauptsächlich mittels Rasterelektronenmikroskopie gekoppelt mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie sowie Röntgenbeugung untersucht. Die temperatur- und zeitabhängige Benetzung von flüssigem Al auf der TiB2 Keramik wurde mittels der klassischen Technik des liegenden Tropfens und der sogenannten dispensed drop technique (engl.) über einen weiten Temperaturbereich untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass mit ansteigender Temperatur die Benetzung bedeutend schneller abläuft. Die beiden Methoden liefern einen Unterschied in der Benetzungstemperatur von etwa 300°C aufgrund der nativen Oxidschicht auf der Al-Oberfläche bei dem klassischen Sessile-drop Versuch. Beginnend bei 1000°C füllt das flüssige Al entweder die intergranularen Poren auf oder dringt entlang der Korngrenzen in das TiB2 Substrat ein. Es wurde keine Reaktion im Al/TiB2 System beobachtet. Die Grenzflächeninteraktionen zwischen Ti-Al Schmelzen und der TiB2 Keramik wurden mit der klassischen Technik des liegenden Tropfens untersucht, da ein passender Tiegel für flüssiges Ti und Ti-haltige Schmelzen nicht vorhanden war. Für reines Ti auf TiB2 setzt das Schmelzen bei etwa 120 °C unter seinem Schmelzpunkt ein, wie aus Untersuchungen der Form und Struktur der erstarrten Ti/TiB2 Proben hervorgeht. Dies wird durch Festkörperdiffusion von B aus dem Substrat in die Ti Probe hinein und einer Verschiebung der Zusammensetzung von reinem Ti zu einer Ti-B Legierung in der substratnahen Region verursacht. Die Rolle von Al scheint für das Eindringen von Ti-Al Schmelzen entlang von Krongrenzen in das Keramiksubstrat von größerer Bedeutung zu sein als die Rolle der Temperatur. Die Benetzung und Grenzflächeninteraktionen zwischen Ni-Al Schmelzen und TiB2 wurden mit dem dispensed drop Verfahren untersucht. Flüssige Ni-Al Legierungen zeigen deutlich unterschiedliche Benetzungsverhalten auf dem TiB2 Substrat in Abhängigkeit von Legierungszusammensetzung und Testbedingungen. Das Verhalten von Ni-Al Schmelzen auf TiB2 Keramik verändert sich von einem auflösenden, reaktiven Benetzen (engl. dissolutive, reactive wetting) auf der Ni-reichen Seite zu einem nicht-reaktiven Benetzen auf der Al-reichen Seite. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Ni-Gehalt in Ni-Al Legierungen eine Hauptursache für die Veränderungen der Substratauflösung und der geometrischen Konfiguration an der Metall/Keramik Grenzfläche ist. Um den Einfluss des Ni-Gehalts auf die Auflösung von TiB2 zu verstehen wurde das Schmelzen und Benetzen von Ni83B17 und Ni50B50 Legierungen auf der TiB2 Keramik mittels der klassischen Technik des liegenden Tropfens im Hinblick auf mögliches fügen von TiB2 Keramiken untersucht. Basierend auf den Benetzungstest wurden Zwischenschichten der Ni50B50 Legierung verwendet um TiB2 Keramiken zu Verbinden. In dieser Arbeit wurde die Technik des liegenden Tropfens erfolgreich angewandt um die Hochtemperaturbenetzung und die Grenzflächeninteraktionen zwischen flüssigen Al, Ti-Al, Ni-Al und Ni-B Legierungen und keramischem TiB2 zu untersuchen. Die in dieser Arbeit erhaltenen Ergebnisse ermöglichen ein besseres Verständis der Interaktionsmechanismen zwischen flüssigen Al, Ti-Al, Ni-Al und Ni-B Legierungen und TiB2 keramik in diesen Systemen ermöglichen und Erstellung von Richtlinien für die Herstellung von Metall-Matrix-Verbunden und/oder Keramik-Matrix-Verbunden sowie für die Verbindung von keramischen TiB2 Teilen für strukturelle Hochtemperaturanwendungen dar. / Investigations of high-temperature wetting and interfacial interactions in liquid metal/transition-metal diboride systems are driven by technological demand in obtaining high-quality metal matrix composites and reliable joining of ultrahigh-temperature ceramics for aggressive chemical and/or thermal environments. The physical and chemical characteristics of metal/ceramic interface (e.g. wetting kinetics, interfacial reactions and phase formation) are indispensable for understanding the fundamental mechanisms, controlling technological parameters, and defining the properties and quality of final products. The sessile drop method is the most commonly used for quantitative characterization of the wetting properties and direct investigations of the interfacial interactions between a liquid metal and a solid substrate with the help of microscopy. This thesis is focused on the high-temperature wetting and interfacial interactions of molten pure Al and Ti-Al, Ni-Al and Ni-B alloys with TiB2 ultra-high-temperature ceramic. The metal/ceramic couples after the sessile drop tests are mainly characterized using scanning electron microscopy coupled with energy dispersive X-ray spectroscopy and X-ray diffraction. The temperature- and time-dependent wetting between the liquid Al and TiB2 ceramic over a wide temperature range was investigated using the classical sessile drop and dispensed drop techniques. The results showed that the wetting was significantly accelerated with increasing temperature. A difference of the wetting temperature by these two techniques was about 300 °C, due to the native oxide film present on the Al surface in the classical sessile drop tests. Starting from 1000 °C, liquid Al either filled the inter-grain pores or penetrated along the grain boundaries of the TiB2 substrate but there was no reaction observed in the Al/TiB2 system. The interfacial interactions between Ti-Al melts and TiB2 ceramic were studied by the classical sessile drop technique due to the absence of appropriate crucible for liquid Ti and Ti-containing melts. Pure Ti on TiB2 exhibited an incipient melting at about 120 °C below its melting point in view of the shape and structure of the solidified Ti/TiB2 couple. It was caused by the solid state diffusion of boron from the substrate into the Ti sample and a composition shift from pure Ti to a Ti-B alloy in the near-substrate region. In comparison to pure Ti, the role of Al in the penetration of Ti-Al melts penetration along the grain boundaries in the ceramic seemed to be more important than that of temperature in this study. The wetting and interfacial interactions between Ni-Al molten alloys and TiB2 were investigated using the dispensed drop technique. Liquid Ni-Al alloys showed a strong dependence of the wetting behavior on the TiB2 substrates, both on the alloy composition and testing conditions. It changed from a dissolutive, reactive wetting on the Ni-rich side to a non-reactive wetting on the Al-rich side. The results suggest that Ni content in Ni-Al alloys plays a major role in the changes of substrate dissolution and geometrical configuration at the metal/ceramic interface. To understand the effect of the Ni content on TiB2 dissolution, the melting and wetting of Ni83B17 and Ni50B50 alloys on TiB2 ceramic were investigated using the classical sessile drop technique in view of possible joining of TiB2 ceramics. Based on the wetting tests, TiB2 ceramics have been joined using Ni50B50 melt-spun ribbon as an interlayer. The results obtained in this work provide a better understanding of the interaction mechanisms in between liquid Al, Ti-Al, Ni-Al and Ni-B alloys and TiB2 ceramic and make basis for development of guidelines for the preparation of metal matrix composites and/or ceramic matrix composites and joining of TiB2 ceramic parts for high-temperature structural applications.

Ein fundiertes Verständnis der Mechanismen der Gummi-Vulkanisation von Dien-Kautschuken ist noch immer eine der größten Herausforderungen in der Chemie und Technologie der Elastomere. Die Schwefelvulkanisation von Elastomerwerkstoffen ist ein seit langem verwendeter, aber dennoch sehr anspruchsvoller Prozess, mit dessen Hilfe moderne Reifen hergestellt werden. Bei dieser chemischen Reaktion spielt Zinkoxid, zusammen mit den anderen Hilfsstoffen der Schwefelvulkanisation eine entscheidende Rolle. Um die Produkteigenschaften von mit Schwefel vulkanisierten Elastomermaterialien zu verbessern, sollten die Mechanismen der chemischen Vernetzung - und insbesondere auch die Rolle von Zink enthaltenden Verbindungen bei der Vulkanisationsreaktion besser verstanden werden. Zum Beispiel könnte das Eigenschaftsprofil von Reifen durch die Ausbildung von geeigneten Netzwerken aus Schwefel oder anderen Netzknoten optimiert werden. Nitrilkautschke aus der Klasse der Spezialelastomere und die meisten nicht-Tire- Kautschuk in der ganzen Welt eingesetzt, wecken ein großes Interesse der Forschung wegen ihrer einzigartigen Vulkanisationschemie bei der Vernetzung mittels Zinkverbindungen und wegen der besonderen Eigenschaften der dadurch erzeugten Elastomerwerkstoffe. In dieser Arbeit wurde besonderes Augenmerk darauf gelegt, die Rolle von verschiedenen Zinkverbindungen in der Schwefelvulkanisation von carboxylierten Nitrilkautschuken zu verstehen. In der vorliegenden umfangreichen und eingehenden Untersuchung konnte die Ausbildung einer weiteren Polymerphase im Elastomer nachgewiesen werden. Durch dieses Ergebnis kann nun das dynamische mechanische Verhalten von solchen Polymerwerkstoffen besser verstanden werden. Teile dieser Arbeit beschäftigen sich mit der Erforschung der Rolle von Zinkchlorid bei der Vernetzung von Nitrilkautschuken. Hierzu wurde festgestellt, dass Zinkchlorid einen besonderen Einfluss auf die chemische Vernetzung des NBR aufweist, auch in Abwesenheit anderer Vernetzungs- oder Vulkanisationsadditive. Die so vernetzten Elastomere weisen ein stark hydrophiles Verhalten auf, im Gegensatz zu den allgemeinen Eigenschaften solcher Elastomerwerkstoffe. Eine detaillierte Analyse dieser neuartigen Netzwerkstruktur, gebildet durch eine Koordinationsbindung zwischen dem Zinkatom des Zinkchlorids und dem Nitrilkautschuk, wurde durchgeführt. Carboxylierter Nitrilkautschuk (XNBR) wurde ebenfalls eingesetzt, um funktionale Kautschukmischungen mit neuartigen flammhemmenden Eigenschaften zu entwickeln. Zu dieser Thematik wurden Zink enthaltende Doppelhydroxide (Layered Doube Hydroxides, LDH) als multifunktionale Füllstoffe in XNBR-Kautschuk eingesetzt. Neben dem Flammschutzverhalten zeigt LDH einzigartige Eigenschaften als verstärkenden Füllstoff und gleichzeitig als aktivierendes Additiv für die Schwefelvulkanisation. Eine weitere Zink enthaltenden Verbindung, Zinkstearat, wurde eingesetzt um mechanoadaptive elastomere Materialien durch gezieltes Einstellen des kristallinen bzw. amorphen Charakters dieser Verbindung zu entwickeln. Dies könnte einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung zukünftiger Reifenmaterialien mit intrinsisch adaptiven Eigenschaften liefern.

Fe-based bulk metallic glasses (BMGs) have gained considerable interest due to their excellent soft magnetic properties with high saturation magnetization, high electrical resistivity, very good corrosion resistance, low materials cost, extremely high mechanical strength and hardness. In spite of having excellent strength, Fe-based BMGs are not used as structural materials in service, so far. The major obstacle is their inherent brittleness under mechanical loading, once a crack is developed the material fails catastrophically. Owing to the ever growing industrial demand for the materials with outstanding properties, aside from exploring new alloy compositions, it is pertinent to understand why or why-not the existing system work and how to improve their properties. Recent reports suggested that the plastic deformability can be enhanced by introducing different microstructural heterogeneities such as free volume enhanced regions, separated phases, nano-crystals, atomic clusters caused by for instance additions of small amount of soft elements. Understanding the effect of addition of soft elements to Fe-based BMGs on thermal stability, structural evolution, magnetic and mechanical properties are the main point which this work addresses. In this work, a study on two different soft ferromagnetic Fe-based glass forming alloys are presented, both of them known to have very high mechanical strength and excellent soft magnetic properties but so far have not been used in any industrial applications. The important issue is with the brittle behavior of this BMGs, particularly under mechanical loading. In each glass forming alloys, the aim was to find out the optimum quantity of the soft elements (Cu and Ga), which can be added to improve their room temperature plastic deformability without affecting the glass forming ability (GFA) and soft magnetic properties. The first glass forming alloy that is studied is Fe36Co36B19.2Si4.8Nb4. This glass forming alloy is highly sensitive to the impurities, only pure elements were used to form this alloy. The addition of only 0.5 at.% Cu completely changes the thermal stability and structural evolution but it also improves the mechanical properties. In case of Ga addition up to 1.5 at.% the crystallization behavior remains unaltered and the thermal stability improves marginally. The addition of Ga improves the plastic deformability of the glass by forming soft zones, whose melting point is much lower compared to rest of the alloy. These soft zones are responsible for the plastic deformation of this glass. Thus addition of Ga is very beneficial in improving the mechanical properties of this Fe-based BMG. In the second part, Fe74Mo4P10C7.5B2.5Si2 glass forming alloy is studied. Unlike the aforementioned alloy, this glass forming alloy is not very sensitive to the impurities, industrial grade alloy elements can also be used to form this alloy. In this alloy addition of Cu is beneficial only up to 0.5 at.%, beyond that Cu addition deteriorates GFA and magnetic properties. In case of Ga addition up to 2 at.% the crystallization behavior remains unaltered and the thermal stability improves marginally. Similar to the FeCoBSiNb glass, the addition of Ga in FeMoPCBSi glass also improves the plastic deformability of the glass by formation of soft zones. Addition of small at.% Ga proved be an viable solution to improve the plastic deformability in the ferromagnetic Fe-based metallic glasses without compromising on thermal and magnetic properties of the glass. In the final part we tried to cast the Fe74Mo4P10C7.5B2.5Si2 glass in a complex shape using an industrial high pressure die casting (HPDC) set up. The important issues were with the casting alloy temperature, casting speed and die material. The aim of our work was to optimize the die material suitable for casting the BMGs and then address the issues with casting temperature and casting speed. We have thus attempted to gain a basic knowledge in casting the Fe-based BMG in industrial scale. Our effort was tremendously successful, we were able to produce fully amorphous complex shaped samples with excellent surface finish. We have thus made a considerable advancement towards understanding the basics behind improving the room temperature plastic deformability in Fe36Co36B19.2Si4.8Nb4 and Fe74Mo4P10C7.5B2.5Si2 ferromagnetic BMGs. We have also made a considerable progress in industrialization of bulk ferromagnetic BMGs.