Mechanical behavior and microstructure of reactive air brazed metal ceramic joints

Li, Chichi; Beck, Tilmann

doi:4790

Mechanical behavior and microstructure of reactive air brazed metal ceramic joints = Mechanisches Verhalten und Mikrostruktur von RAB-gelöteten Metall/Keramik-Verbund

Li, Chichi (Author)

2013

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Chichi Li

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2013

UmfangVII, 116 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Beck, Tilmann (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2013-10-08

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-47905
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/229114/files/4790.pdf

Einrichtungen

Lehr- und Forschungsgebiet für Hochtemperatur-Werkstoffmechanik / Allgemeine Mechanik (FZ Jülich) (418420)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Keramik-Metall-Verbund (Genormte SW) ; Brennstoffzelle (Genormte SW) ; Mikrostruktur (Genormte SW) ; Mechanische Eigenschaft (Genormte SW) ; Thermomechanische Eigenschaft (Genormte SW) ; Lötverbindung (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Reaktivlöten (frei) ; reactive air brazing (frei) ; SOFC (frei) ; microstructure (frei) ; metal/ceramic joint (frei) ; fuel cell (frei) ; thermomechanical properties (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Verformungs- und Schädigungsmechanismen reaktivgelöteter Metall/Keramik-Verbindungen wurden mittels Analyse der Mikrostrukturentwicklung während isothermer Langzeitauslagerung und schneller Thermozyklen untersucht. Hierbei wurden das mechanische Verhalten und die Mikrostruktur von Lötverbindungen, mittels eines Cu-haltigen Metalllots (Ag4Cu, Stand der Technik für Lötungen in SOFC-Systemen), eines Al-haltigen Lotes (Ag0.5Al, neu entwickelt) und eines reinen Ag-Lotes hergestellter Metall/Keramik-Verbundproben verglichen. Vierpunktebiegungstests, Doppelscherversuche und Thermozyklierversuche wurden angewendet, um die thermomechanischen Eigenschaften der Lötverbindungen zu charakterisieren. Im Vierpunktbiegeversuch bei Raumtemperatur versagen alle Varianten an den Grenzflächen. Die Lebensdauer der Fügungen bei Langzeit-Warmauslagerung wird durch Degradation der Lot/Stahl- und/oder Lot/Keramik-Grenzflächen begrenzt. In den Hochtemperaturdoppelscherversuchen waren konkurrierende Schädigung der Grenzflächen und der Lotmatrix versagensbestimmend. Eine Warmauslagerung in Luft erhöht die Scherfestigkeit der Grenzflächen und der Lotmatrix und damit den Widerstand der gesamten Fügung gegen Scherbelastung. Thermozyklen induzieren mechanische Zwillingsbildung in der ursprünglich einkristallinen Matrix der Ag und der Ag4Cu Lote, und resultieren im weiteren Verlauf in einer Rekristallisation der Matrix. Durch beide Mechanismen werden thermisch induzierte Spannungen abgebaut. Bei Vorliegen einer bereits im Ausgangszustand polykristallinen Matrix, wie im Falle des Ag0.5Al Lots, treten beide Mechanismen verstärkte auf und erhöhen deutlich die Lebensdauer der Verbindung bei schneller Temperaturwechselbelastung. Diese mit der Lotvariante Ag0.5Al gegenüber den anderen Varianten erreichten Fortschritte, zeigen, dass das Reaktivlöten großes Potenzial für die Herstellung von Bauteilen hat, die schnellen Temperaturwechseln unterliegen. Künftige F&E-Aktivitäten zum Reaktivlöten sollten auf eine erhöhte Stabilität im kombinierten Langzeitbetrieb mit Temperaturwechseln unter Dualatmosphäre abzielen.

The microstructure evolution dependent deformation and damage mechanisms of reactive air brazed metal/ceramic joints were studied under long term isothermal/thermal cycling conditions. The mechanical behavior and microstructural properties of joints produced using three Ag-base brazes, i.e. a Cu-containing braze (Ag4Cu, as a state of the art SOFC metal braze), an Al-containing (Ag0.5Al, as a newly developed advanced braze) and a pure Ag braze were compared. Ambient temperature delamination, high temperature shear and thermal cycling tests were applied to characterize the thermomechanical properties of the joints. The interfaces prove to be the weakest link of the joints in ambient temperature delamination testing. The long-term operability of the joints was found to be limited by aging induced degradation of the braze/steel and/or the braze/ceramic interfaces. In high temperature shear testing, competing failure of the interfaces and the braze matrix was discovered. Aging in air strengthened both the interface and the braze matrix, thus enhancing the high temperature shear and creep resistance of the joints. Thermal cycling induced mechanical twinning of the initially single crystalline matrices of the Ag and the Ag4Cu braze, which in turn promotes recrystallization of the matrix. Both processes compensate thermal mismatch stresses arising from temperature change and thermal expansion coefficient mismatch. With the introduction of an initially polycrystalline matrix – in case of an advanced Ag0.5Al braze – both mechanisms were exploited to reach greatly increased resistance against rapid thermal cycling. Considering the progress achieved by the advanced Ag0.5Al braze in thermal stress compensation, it could be stated that reactive air brazes have great potential especially for rapid thermal cycling application. Nevertheless brazing properties and thermomechanical stability still need further improvement. Future R&D activities in reactive air brazing should focus on joint stability during combined long term thermal cycling operation under dual atmosphere conditions.

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