DE11154378T1 - Funktionell abgestufte Materialform und Verfahren zur Herstellung einer solchen Form - Google Patents

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Abstract

Funktionell abgestufte Materialform (1), wobei ein erstes Material (M1), das ein Metall oder eine Metalllegierung ist, durch Sintern mit einem zweiten Material (M2), das ein keramisches Material, ein Metall oder eine Metalllegierung ist, verschmolzen wird, wobei das erste Material (M1) einen ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten (α1) aufweist und das zweite Material (M2) einen zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten (α2), der sich von dem ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten unterscheidet, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Form weiterhin ein drittes Material (M3) umfasst, das eine Zwischenverbundstoffphase bilden kann, die zwischen dem ersten und dem zweiten Material eingemischt ist, wobei das dritte Material (M3) ein Metall oder ein Keramikadditiv ist und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten (α3) aufweist, der in der Mitte zwischen dem ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten (α1) des ersten Materials (M1) und dem zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten (α2) des zweiten Materials (M2) liegt.

Claims (15)

  1. Funktionell abgestufte Materialform (1), wobei ein erstes Material (M1), das ein Metall oder eine Metalllegierung ist, durch Sintern mit einem zweiten Material (M2), das ein keramisches Material, ein Metall oder eine Metalllegierung ist, verschmolzen wird, wobei das erste Material (M1) einen ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten (α1) aufweist und das zweite Material (M2) einen zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten (α2), der sich von dem ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten unterscheidet, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Form weiterhin ein drittes Material (M3) umfasst, das eine Zwischenverbundstoffphase bilden kann, die zwischen dem ersten und dem zweiten Material eingemischt ist, wobei das dritte Material (M3) ein Metall oder ein Keramikadditiv ist und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten (α3) aufweist, der in der Mitte zwischen dem ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten (α1) des ersten Materials (M1) und dem zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten (α2) des zweiten Materials (M2) liegt.
  2. Funktionell abgestufte Materialform (1) gemäß Anspruch 1, wobei das erste, zweite und dritte Material (M1, M2, M3) bei ungefähr denselben Sintertemperaturen sintern oder wobei das erste, zweite und dritte Material (M1, M2, M3) bei ungefähr denselben Einstellungen der Sintereinheit sintern.
  3. Funktionell abgestufte Materialform (1) gemäß Anspruch 2, wobei wenigstens eines der Materialien (M1, M2, M3) Kornabmessungen einer so geringen Größe im Vergleich zu Standardpulvern in Mikrometergröße aufweist, dass die Sintertemperatur der Materialien dadurch beeinflusst wird.
  4. Funktionell abgestufte Materialform (1) gemäß Anspruch 3, wobei ein Nanopulver in wenigstens einem der Materialien (M1, M2, M3) verwendet wird.
  5. Funktionell abgestufte Materialform (1) gemäß einem der obigen Ansprüche, wobei es sich bei dem ersten Material (M1) um Edelstahl, Nickel, Nickellegierung oder Kupferlegierung handelt und das zweite Material (M2) ein keramisches Material ist.
  6. Funktionell abgestufte Materialform (1) gemäß einem der obigen Ansprüche, wobei es sich bei dem ersten Material (M1) um Edelstahl SUS 316/316L, SUS 304/304L, SUS 310/310S, SUS 405, SUS 420, Duplex-Edelstahl 2205, Nickel, Nickellegierung oder Kupferlegierung und bei dem zweiten Material (M2) um Aluminiumoxid handelt.
  7. Funktionell abgestufte Materialform (1) gemäß einem der obigen Ansprüche, wobei das dritte Material (M3) ein Metall oder ein Keramikadditiv ist, das aus einem der Materialien Yttrium-stabilisiertes Zirconiumoxid, ZrO2(3Y), Chrom, Platin oder Titan ausgewählt ist.
  8. Verfahren zur Herstellung der funktionell abgestuften Materialform (1) gemäß Anspruch 1–7, wobei es sich bei dem Herstellungsverfahren um Funkenplasmasintern (SPS) handelt.
  9. Verfahren zur Herstellung einer FGM-Form (1) mit einer Fläche (1a), die bis zu 100% eines ersten Materials (M1), das ein Metall oder eine Metalllegierung ist, umfasst, und einer zweiten Fläche (1b), die bis zu 100% eines zweiten Materials (M2), das ein keramisches Material, ein Metall oder eine Metalllegierung ist, umfasst, umfassend die Schritte: (i) Auswählen des ersten Materials (M1) und des zweiten Materials (M2) mit einem ersten und einem zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten (α1, α2), die voneinander verschieden sind, (ii) Hinzufügen einer bestimmten Menge eines dritten Materials (M3), das ein Metall oder ein Keramikadditiv oder ein keramisches zähmachendes Additiv mit einem dazwischenliegenden Wärmeausdehnungskoeffizienten (α3) ist, das zwischen dem ersten und dem zweiten Material (M1, M2) eingemischt ist und einen Zwischenbereich erzeugt, der die erfinderische funktionell abgestufte Materialform gemäß Anspruch 1–8 umfasst, (iii) Hinzufügen wenigstens einer Schicht zwischen der ersten Fläche (1a) und der zweiten Fläche (1b), wobei ein dazwischenliegender abgestufter Verbundbereich (1c) entsteht, und (iv) Sintern der gesamten Form (1) mit Hilfe von Funkenplasmasintern (SPS).
  10. Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei der dazwischenliegende abgestufte Verbundbereich (1c) mehrere Zwischenschichten aufweist, die im Wesentlichen aus verschiedenen Gemischen des ersten, zweiten und dritten Materials (M1, M2, M3) bestehen.
  11. Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei das erste, zweite und dritte Material (M1, M2, M3) kontinuierlich in eine Düse abgegeben werden, in der das Material unter Bildung wenigstens einer Zwischenschicht mit einer glatten oder schrittweisen abgestuften Variation der Zusammensetzung innerhalb der gesamten FGM-Form gesintert wird, welche aus verschiedenen Gemischen des ersten, zweiten und dritten Materials (M1, M2 und M3) besteht.
  12. Verfahren gemäß Anspruch 10 oder 11, wobei die Zusammensetzungen in der gesamten wenigstens einen Zwischenschicht mit Hilfe einer Gleichung bestimmt werden, wobei die lokale Volumenfraktion des ersten Materials Vi in jeder Zwischenschicht wie folgt berechnet wird: Vi = [1 – ( i / n+1)P] (2) wobei i die Nummer der Zwischenschicht ist, n die Gesamtzahl der Zwischenschichten ist und P ein Materialkonzentrationsexponent ist.
  13. Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei das dritte Material (M3) in wenigstens einer der Verbundzwischenschichten in einem bestimmten Verhältnis zur Volumenfraktion des zweiten Materials (M2) hinzugefügt wird.
  14. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9–13, wobei das Sintern bei einer Temperatur von 1000–1200°C, vorzugsweise 1100°C, unter einem Druck von 50–100 MPa, vorzugsweise 75 MPa, während einer Haltezeit von 10–40 mm, vorzugsweise 20–30 min, durch Funkenplasmasintern stattfindet.
  15. Verfahren gemäß einem der obigen Ansprüche, wobei wenigstens eine der Verbundzwischenschichten aus einem ersten Material (M1) aus Metall oder Metalllegierung, das aus einem der Materialien Edelstahl SUS 316/316L, SUS 304/304L, SUS 310/310S, SUS 405, SUS 420, Duplex-Edelstahl 2205, Nickel, Nickellegierung oder Kupferlegierung ausgewählt ist, einem zweiten Material (M2) aus Keramik, das aus Aluminiumoxid, Molybdändisilicid oder Wolframcarbid ausgewählt ist, und einem dritten Material (M3) aus einem Metall oder Keramikadditiv, das aus einem der Materialien Zirconiumoxeid(3Y), Chrom, Platin oder Titan ausgewählt ist, besteht.
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