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Deformation, internal stress and delamination during co-sintering of metal-ceramic laminates = Verformung, innere Spannung und Delamination während des Co-Sinterns von Metall-Keramik-Schichtverbunden
2025
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-04-14
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-03884
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1010148/files/1010148.pdf
Einrichtungen
Projekte
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
Heutzutage gibt es einen zunehmenden Trend und eine hohe Nachfrage nach multifunktionalen Verbundwerkstoffen und Bauteilen, die durch Laminierung und Co-Sintern verschiedener Komponenten hergestellt werden. Die Kombination einer Vielzahl günstiger Eigenschaften verleiht Verbundwerkstoffen, wie z.B. Metall-Keramik-Schichtverbunden, eine breitere Anwendungsmöglichkeit bei höherer Flexibilität als einzelne Werkstoffe. Gegenwärtig werden solche Laminate im Wesentlichen durch die verfahrensfolge Foliengießen, Laminieren, Entbindern und Co-Sintern hergestellt. Dabei stellt das Co-Sintern die größte Herausforderung und das größte Hindernis dar, um defektfreie, endkonturnahe MCLs zu erhalten. Während des Co-Sinterns von MCLs kommt es häufig zu unerwünschten Verformungen, die in Delamination, Krümmung, Rissen oder sogar dem vollständigen Bruch resultieren. Um die möglichen Bruchursachen zu identifizieren, sind experimentelle Arbeiten in hohem Maße auf zeitaufwändige vollparametrisierte Versuchspläne angewiesen. Das parallele Zusammenspiel verschiedener Ereignisse wie Verdichtung, Verformung, Phasenumwandlung und mögliche Delamination während des Co-Sinterns erschwert jedoch die Analyse von Ursachen und Versagensmechanismen. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines thermomechanisch-metallurgisches Modells, das in der Lage ist, die Verdichtung, Verformung und Delamination von MCLs während des Co-Sinterns vorherzusagen. Darüber hinaus zielt diese Arbeit darauf ab, ein besseres Verständnis für die Ursachen der Delamination während des Co-Sinterprozesses zu erlangen, indem die Entwicklung der inneren Spannungen von MCLs auf Grundlage des entwickelten Modells analysiert wird. Um diese Ziele zu erreichen, werden die inhomogene relative Dichteverteilung und die Phasenumwandlung der Stahlfolie im neu entwickelten Modell berücksichtigt. Darüber hinaus werden gemischte Zwischenschichten in MCLs als kohäsive Elemente modelliert, um den Delaminationsprozess zu simulieren. Das entwickelte Modell wird systematisch durch experimentelle Messungen und Beobachtungen validiert. Es zeigt sich, dass das entwickelte Modell in der Lage ist, die Verdichtung, Verformung und Delamination der untersuchten Laminatvarianten während des Co-Sinterprozesses mit einer höhen Genauigkeit vorherzusagen. Die mit einer Volumenänderung einhergehenden Phasenumwandlung spielt bei schwacher Grenzfläche eine entscheidende Rolle für das Auftreten von Delamination. Bei hohen Sintertemperaturen hingegen bleibt die Delamination aufgrund der vollständigen Spannungsrelaxation trotz großer Unterschiede in der Sinterschwindung aus.Today, there is a high demand and increasing trend for multi-functional composite mate-rials and components made by laminating and co-sintering different components. The combination of a wide range of favourable properties gives composite materials such as metal-ceramic laminates (MCLs) a wider range of applications and a higher degree of flexibility than single materials. Currently, such laminates have essentially been produced by tape casting, laminating, debinding, and co-sintering. Of these, the co-sintering process poses the greatest challenges and obstacles to achieving defect-free, near-net-shape MCLs. During the co-sintering process of MCLs, undesirable deformations often occur, frequently leading to delamination, curvature, crack formation or even complete fracture. Experimental work to determine the possible causes of fracture relies heavily on the time-consuming principle of "trial and error". However, the interaction of multiple events, including densification, deformation, phase transformation and possible delamination which occur simultaneously during the co-sintering process of MCLs, makes it difficult to analyse the causes and failure mechanisms from an experimental point of view. The main objective of this work is to develop a thermo-mechanical–metallurgical model which is capable of predicting the densification, deformation and delamination of MCLs during the co-sintering process. In addition, this work aims to gain a better understanding of the causes of delamination during the co-sintering process by analysing the evolution of internal stresses in MCLs based on the developed model. To achieve these objectives, the inhomogeneous relative density distribution and the phase transformation of the steel tape are successfully considered in the newly developed model. Further-more, the mixed interlayer in MCLs is modelled as cohesive elements to simulate the delamination process. The developed model is systematically validated by experimental measurements and observations. It is found that the developed model is able to predict the densification, deformation and delamination of the investigated laminate variants during the co-sintering process with a satisfactory accuracy. Phase transformation ac-companied by volume change plays a crucial role in the occurrence of delamination when the interface is weak. At high sintering temperatures, on the other hand, delamination does not proceed due to complete stress relaxation despite large differences in sintering shrinkage.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT031043370
Interne Identnummern
RWTH-2025-03884
Datensatz-ID: 1010148
Beteiligte Länder
Germany
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