Modeling and simulation of diffusion bonding and interface properties of long fiber reinforced NiAl composites

Chen, Hao; Gottstein, Günter

doi:HT014987727

Modeling and simulation of diffusion bonding and interface properties of long fiber reinforced NiAl composites = Modellierung und Simulation des Diffusionsschweißens und der Grenzflächeneigenschaften von faserverstärken NiAl-Verbundwerkstoffen

Chen, Hao (Author)

2006 & 2007

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Hao Chen

ImpressumAachen : Shaker 2006

UmfangVIII, 128 S. : Ill., graph. Darst.

ISBN3-8322-5678-4, 978-3-822-5678-4

ReiheBerichte aus der Materialwissenschaft

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2006

Druckausgabe: 2006. - Onlineausgabe: 2007

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Gottstein, Günter (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2006-09-28

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-17854
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/62316/files/Chen_Hao.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Physik (frei) ; NiAl-Verbundwekstoffe (frei) ; Diffusionsschwießen (frei) ; thermische Eigenspannungen (frei) ; Push-out Test (frei) ; NiAl composites (frei) ; Diffusion bonding (frei) ; thermal residual stresses (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
In der vorliegenden Arbeit wurden die Verdichtungsvorgänge des Diffusionsschweißens und die Grenzflächeneigenschaften der NiAl-beschichteten Al2O3 Faserverbundwerkstoffe modelliert und simuliert. Nach den Simulationsergebnissen wurden die optimalen Diffusionsschweißparameter zu den verschiedenen Faservolumenanteilen und die Grenzflächenscherfestigkeit vorgestellt. Dazu wurden Kriechkurven unter einer Druckspannung von 10 bis 80 MPa und Fließkurven bei einer Dehngeschwindigkeit von 10-5 bis 10-2 s-1 bei den Temperaturen 1473 K, 1573 K und 1673 K aufgenommen. Die notwendigen Werkstoffdaten für die Modellierung und Simulation, z. B. die Verformung bei spontanem und primärem Kriechen sowie der Spannungsexponent beim stationären Kriechen des NiAl wurden experimentell ermittelt. Das stationäre Kriechen folgte einem Potenzgesetz mit einem Spannungsexponenten von n 3.5 und einer Aktivierungsenergie Q 398 kJ mol-1 im Temperaturbereich 1473-1673 K. In diesem Temperaturbereich wird bei einer Druckspannung zwischen 10-80 MPa die Kriechverformung durch diffusionskontrollierte Versetzungsbewegung gesteuert. Die entsprechenden stationären Kriechparameter wurden in Table 3.1 dargestellt. Die primäre Kriechverhalten konnte mit der zeitabhängigen Gleichung beschrieben werden, wobei und 0.52 < m < 0.68, wie in Table 3.2 gezeigt. Die Verdichtungskinetik der NiAl-beschichteten Al2O3 Faserbündel beim Diffusionsschweißen wurde analytisch modelliert. Ein analytisches Diffusionsschweißmodell, das verschiedene Mechanismen berücksichtigt, z. B. Diffusion und plastische Verformung, wurde entwickelt. Im Modell wurden eine vereinfachte Hohlraumgeometrie und die entsprechende zeitliche Entwicklung angegeben. Es wurde festgestellt, dass den Hauptbeitrag zur Faserbündelverdichtung bei hohen Temperaturen die Kriechverformung, also primäres und stationäres Kriechen, liefert. Eine Verdichtungsmechanismenskarte wurde erstellt. Auf Basis des Diffusionsschweißmodells wurde eine Finite Elemente Simulation durchgeführt, um die optimalen Diffusionsschweißparameter zur Herstellung von NiAl Verbundwerkstoffen zu ermitteln. Das primäre Kriechen wurde in dem FEM-Modell berücksichtigt. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die Druckspannung bei hohen Temperaturen eine große Rolle spielt. Ferner wurde der Effekt des Faservolumenanteils und der MCF-Anordnung analysiert. Aufgrund der Rechenergebnisse wurden als optimale Diffusionsschweißparameter für NiAl-beschichtete Al2O3 Faserbündel empfohlen: 1573 K / 40 MPa / 30-60 Minuten, Vf <= 60%. Diese Parameter wurden durch Heißpressversuche experimentell überprüft. Theorie und Experiment zeigten eine gute Übereinstimmung. Nach dem Diffusionsschweißen bleibt eine thermische Eigenspannung in mit Keramikfasern verstärkten metallischen oder intermetallischen Verbundwerkstoffen wegen der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Faser und Matrix zurück. Um die thermischen Eigenspannungen zu steuern und die mechanischen Eigenschaften der NiAl Verbundwerkstoffe zu verbessern, wurde der thermische Eigenspannungszustand in NiAl Verbundwerkstoffen mit und ohne BN Zwischenschicht numerisch modelliert und simuliert. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass in der Faser ohne BN Zwischenschicht die thermische Spannung größer als die Druckfestigkeit der Faser entlang der c-Achse ist. Die Zwillinge in der Faser, gebildet durch die thermische Eigenspannung, verursachen eine unkoordinierte Bewegung der Atome, die schließlich zum Bruch in der Faser führt. Der Einfluss des Faservolumenanteils auf die thermische Eigenspannung wurde simuliert. Das Ergebnis zeigt, dass die Druckspannung entlang der c-Achse in der Faser mit zunehmendem Faservolumenanteil kontinuierlich reduziert wird. Die Simulationsergebnisse demonstrieren, dass die thermische Spannung in NiAl Verbundwerkstoffen durch den Einsatz einer BN Zwischenschicht wesentlich reduziert wird. Auf der Basis der numerischen Simulationsergebnisse wurde ein hoher Faservolumenanteil (50%) zur Reduzierung der thermischen Eigenspannungen in NiAl Verbundwerkstoffen empfohlen und experimentell überprüft. Eine hohe Zugfestigkeit bei 1273 K wurde dadurch erreicht. In Verbundwerkstoffen spielt die Grenzflächenfestigkeit eine große Rolle für die Lastübertragung von der Matrix auf die Fasern, was die Eigenschaften der Verbundwerkstoffe stark beeinflusst. Um die intrinsische Grenzflächenscherfestigkeit der NiAl Verbundwerkstoffe zu bestimmen, wurde ein Grenzflächenmodell für FEM Simulationen entwickelt, in dem die Auswirkungen der Grenzflächenscherfestigkeit, der thermischen Spannung und der Reibung der Grenzfläche berücksichtigt wurden. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die intrinsische Grenzflächenscherfestigkeit der NiAl Verbundwerkstoffen ohne BN Zwischenschicht (512 MPa) wesentlich höher ist als in Verbundwerkstoffe mit BN Zwischenschicht (100 MPa). Die Rissbildung durch Faser-Push-out Tests beginnt an unterschiedlichen Probenpositionen, je nach Probendicke. Der Grund dafür liegt in den unterschiedlichen radialen Spannungen bei verschiedener Probedicke aufgrund der Biegung der Probe. Letztlich wurden Faser-Push-out Tests bei angenommener konstanter Grenzflächenscherfestigkeit numerisch simuliert. Die maximale Push-out Last nahm mit fallender thermischer Eigenspannung und Reibung ab.

Several critical issues of the diffusion bonding process and interfacial properties of continuous single crystal Al2O3 (sapphire) fiber-reinforced NiAl matrix composites were studied. The first issue was the contributions of different densification mechanisms during the diffusion bonding process and the prediction of optimal hot pressing parameters for NiAl matrix coated fibers (MCFs). The choice of suitable process parameters of hot pressing is important in determining the properties of the final composite. Acceptable process parameters have to ensure fabrication of fully dense and void free composites with tolerable fiber damage as well as minimal chemical reactions between fiber and matrix in order to prevent the formation of harmful reaction products in the interface. Based on an analytical diffusion bonding model, in which primary creep of the NiAl matrix – that was studied by creep tests and dynamic tests – was included, the effects of the hot pressing parameters, i.e. pressure, temperature and time, on the deformation behavior and evolution of the microstructure of the matrix in NiAl composites, were simulated. Optimal parameters for the NiAl MCFs of 1300°C / 40 MPa / 30 ~ 60 minutes were recommended. The predictions were compared to experiments, and good agreement between the simulated and experimental results was found. The second issue was the thermal residual stress (TRS) in NiAl composites after thermal mechanical processing due to different coefficients of thermal expansion (CTEs) of fiber and matrix. Without a BN interlayer the simulated compressive axial TRS in sapphire fiber can be very high in a temperature range of 680-790 K and will result in fiber damage. By introducing a BN interlayer, the TRS level decreased and the fiber damage was lowered. However, it caused also a low interfacial strength that reduced the load transfer efficiency from the matrix to the fiber and thus, reduced the composite strength. A higher fiber volume fraction of approximately 40-60% can effectively reduce the TRS in the sapphire fiber and therefore, fiber damage would be mitigated or even eliminated. The simulations were consistent with measurements by nano-indentation. The third issue was the interfacial properties of NiAl composites. By using push-out tests, the interface shear stress for complete debonding was measured. An interfacial model was developed, in which the thermal residual shear stress at the interface and the frictional stress at the interface were included to extract the intrinsic interfacial strength of NiAl composites. According to the simulation, initial debonding can occur at the top or bottom side depending on sample thickness. The push-out test was also numerically simulated at elevated temperatures by assuming a constant value of the interfacial shear strength. Overall, a diffusion bonding model was developed to predict the optimal hot pressing parameters for achieving fully dense and void free composites with tolerable properties; TRS simulations recommended a suitable fiber volume fraction range for lower fiber damage. The models can be used as guidelines to design tough composites for future gas turbine blades.

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