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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-39764
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/3976/


Zeep, Berthold

Prozessentwicklung für das Mikro-Pulverspritzgießen von Wolfram

Micro-powder injection moulding of tungsten

Dokument1.pdf (9.303 KB) (md5sum: cfd4276758f6a3978525ffcaf7695f45)

Kurzfassung in Deutsch

Aktuelle Designentwicklungen eines He-gekühlten Divertors als integriertes Bauteil eines zukünftigen Fusionsreaktors gehen davon aus, dass im Bereich des Divertors circa 300000 komplex strukturierte Bauteile aus Wolfram pro Reaktor benötigt werden. Wolfram wird aufgrund seiner herausragenden Eigenschaften (hoher Schmelzpunkt, hohe Härte, hohe Sputterresistenz, hohe thermische Leitfähigkeit) für Anwendungen in der thermisch wie mechanisch hochbelasteten Umgebung des Divertors favorisiert. Allerdings stellen die Materialeigenschaften von Wolfram eine Herausforderung hinsichtlich einer Massenfertigung komplex strukturierter Bauteile dar. Aufgrund der Resistenz von Wolfram gegenüber einer mechanischen Bearbeitung müssen neue Fertigungstechniken für eine kostengünstige Produktion der benötigten Bauteile entwickelt werden. Für eine wirtschaftliche Fertigung der Bauteile wurde in der vorliegenden Dissertation als neues Produktionsverfahren das Pulverspritzgießen zur Herstellung von mikrostrukturierten Bauteilen aus Wolfram entwickelt. Zur Entwicklung einer Formmasse wurden die Pulverpartikeleigenschaften, der Binder und der Pulverfüllgrad für eine Formgebung von Bauteilen mit strukturellen Details in Mikrometerdimension optimiert. Eine Untersuchung der Spritzgießfähigkeit entwickelter Formmassen wurde durch Abformexperimente von diversen Kavitäten mit Strukturdetails im Mikrometerbereich erfolgreich vorgenommen. Für die Entwicklung eines Entbinderungsprozesses wurde eine Parametervariation einer zweistufigen Kombination aus Lösungsmittelentbinderung und thermischer Entbinderung durchgeführt, um den Prozess auf Wolfram-Formmassen zu adaptieren.
Zur Optimierung der Bauteileigenschaften wurden weiterhin Sinterexperimente unter Variation der Pulverpartikeleigenschaften vorgenommen. Die gesinterten Proben ergaben vielversprechende Materialeigenschaften wie eine hohe Härte von 357 HV10 sowie eine bei 800°C ermittelte Zugfestigkeit von ca. 290 N/ mm² und eine Bruchdehnung von ca. 35 %. Allerdings wurde bei konventionellen Sinterversuchen ein stark ausgeprägtes Kornwachstum mit einer Korngröße von 68 Mikrometer bei gesinterten Proben mit einer Dichte von 99% theoretischer Dichte beobachtet. Entsprechend wurde unter Einsatz einer heißisostatischen Presse eine alternative Methode zur Verdichtung von Wolfram mit einem feinkörnigen Gefüge mit einer Korngröße von 5,5 Mikrometer entwickelt.
Die Prozessentwicklung wurde basierend auf den Erfahrungen mit Wolfram auf die Wolfram-Legierungen W + 1 Gew.% La2O3 und W-Ni-Fe ausgedehnt, für die ebenfalls vielfältige industrielle Anwendungen bestehen.


Kurzfassung in Englisch

For He-cooled Divertors as integral components of future fusion power plants, about 300000 complex shaped tungsten components are to be fabricated. Tungsten is the favoured material because of its excellent properties (high melting point, high hardness, high sputtering resistance, high thermal conductivity). However, the material’s properties cause major problems for large scale production of complex shaped components. Due to the resistance of tungsten to mechanical machining, new fabrication technologies have to be developed. Powder injection moulding as a well established shaping technology for a large scale production of complex or even micro structured parts might be a suitable method to produce tungsten components for fusion applications but is not yet commercially available. The present thesis is dealing with the development of a powder injection moulding process for micro structured tungsten components. To develop a suitable feedstock, the powder particle properties, the binder formulation and the solid load were optimised. To meet the requirements for a replication of micro patterned cavities, a special target was to define the smallest powder particle size applicable for micro-powder injection moulding. To investigate the injection moulding performance of the developed feedstocks, experiments were successfully carried out applying diverse cavities with structural details in micro dimension. For debinding of the green bodies, a combination of solvent debinding and thermal debinding has been adopted for injection moulded tungsten components. To develop a suitable debinding strategy, a variation of the solvent debinding time, the heating rate and the binder formulation was performed. For investigating the thermal consolidation behaviour of tungsten components, sinter experiments were carried out applying tungsten powders suitable for micro-powder injection moulding. First mechanical tests of the sintered samples showed promising material properties such as a high hardness comparable to recrystalized material as well as a tensile strength of 290 N/ mm² and an elongation of break at 35 %. Nevertheless, by conventional sintering extensive grain growth up to 68 micron was observed for samples with a sintered density of 99% theoretical density. To avoid extensive grain growth a HIP-process was developed for injection moulded tungsten samples, achieving a grain size of 5,5 micron. In addition to tungsten, a wide range of tungsten alloys are of industrial interest for e.g. electrodes, thermal shielding, microelectronics and automotive applications. Accordingly the process developments for micro injection moulding has successfully been extended to oxide disperse strengthened tungsten and tungsten heavy alloys.


SWD-Schlagwörter: Wolfram , Spritzgießen , Kernfusion , Divertor , Formmasse , Sintern
Freie Schlagwörter (englisch): tungsten , powder injection moulding , feedstock , fusion power plant , divertor
Institut: Institut für Mikrosystemtechnik
Fakultät: Technische Fakultät (bisher: Fak. f. Angew. Wiss.)
DDC-Sachgruppe: Technik
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Haußelt, Jürgen (Prof. Dr.)
Quelle: Ebenfalls veroeffentlicht als Bericht des Forschungszentrums Karlsruhe (FZKA7342)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 26.10.2007
Erstellungsjahr: 2007
Publikationsdatum: 05.02.2008
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