Untersuchungen zum Einfluss von Dotierungen und Dispersoiden

Untersuchungen zum Einfluss von Dotierungen und Dispersoiden auf Rekristallisationsverhalten, mechanische Hochtemperatureigenschaften und Verarbeitbarkeit von Iridium
Projektleiter:
Prof. Dr.-Ing. habil. B. Fischer
Prof. Dr.-Ing. J. Merker
Weitere Mitarbeiter:
Dipl.-Ing. (FH) T. Schurig
Dipl.-Phys. W. Thieme
Dipl.-Ing. (FH) M. Friedrich
Forschungspartner:
W.C. Heraeus GmbH, Hanau
Prof. Dr.-Ing. habil. B. Fischer
Laufzeit:
Juni 2005 bis Juni 2009; gefördert mit Mitteln des
BMBF im Rahmen des Förderprogramms “Angewandte
Forschung an Fachhochschulen im Verbund mit der
Wirtschaft (FH³)”
Prof. Dr.-Ing. J. Merker
Iridium ist ein Edelmetall, das auf Grund hervorragender Eigenschaften als Konstruktionswerkstoff unter
extremen Bedingungen trotz seines hohen Preises besondere Bedeutung besitzt. Hervorzuheben sind insbesondere seine hervorragende Korrosionsbeständigkeit und gute mechanische Festigkeit bei höchsten
Temperaturen. Deshalb wird Iridium zum Beispiel eingesetzt für Schmelztiegel zum Ziehen von Einkristallen
für die Lasertechnik aus hochschmelzenden Oxiden,
wie Yttrium-Aluminium-Granat (YAG-Laser), Saphir
und Spinell. Die Schmelztemperaturen dieser Oxide
betragen ca. 1970 °C, 2050 °C bzw. 2115 °C. Weitere Einsatzbeispiele sind Ziehdüsen für die
Quarzröhrenherstellung und Thermoelemente (IrRh40 - Ir)
für einen Messbereich von 1000 bis 2200 °C.
Andererseits ist Iridium fertigungstechnisch außerordentlich schwierig zu beherrschen. Obwohl es im
kubisch-flächenzentrierten Gitter kristallisiert, verfestigt sich Iridium bei einer Verformung extrem, was
sehr leicht zur Rissbildung führt. Die Ursache liegt in
seiner Fähigkeit zur Speicherung sehr hoher
Versetzungsdichten. Deshalb muss dem Rekristallisationsverhalten besondere Bedeutung beigemessen
werden. Außerdem ist Iridium sehr empfindlich gegenüber Spurenverunreinigungen in geringsten Gehalten
(wenige ppm), die aus den Rohstoffen stammen oder
bei der Herstellung und Verarbeitung aufgenommen
werden können. Durch geringste Verunreinigungsgehalte in den Korngrenzen des Kristallgefüges kann
Iridium sehr stark verspröden, wodurch die
Verarbeitbarkeit und die mechanischen Hochtemperatureigenschaften
beeinträchtigt
werden.
Weiterhin neigt reines Iridium bei hohen Temperaturen
sehr stark zur Kornvergröberung, wodurch interkristalline Rissbildung begünstigt wird. Auch dadurch werden die Verarbeitbarkeit und die mechanischen
FH Jena ΠForschungsbericht 2005
Hochtemperatureigenschaften negativ beeinflusst.
Ziel des Projektes ist die Entwicklung von Iridiumwerkstoffen mit verbesserten Eigenschaften. Das ist
auf Grund der komplexen Einflussfaktoren auf seine
Kristallstruktur und seine Eigenschaften eine schwierige Aufgabe. Durch Legierungselemente bzw.
Dotierungen in geringen Gehalten oder die Ausfällung
von Dispersoiden mittels innerer Oxidation im
Iridiumhalbzeug sollen Kornstabilität, d. h. die Erhaltung des feinkörnigen Gefüges und eine Steigerung
der Festigkeit bei hohen Temperaturen erreicht werden. Dabei dürfen aber die Duktilität und die
Verarbeitungseigenschaften nicht beeinträchtigt werden. Um ein solches Ziel erreichen zu können, müssen
die Einflüsse von Spurenverunreinigungen und des
Rekristallisationsverhaltens untersucht und besser
beherrscht werden.
In den ersten Monaten des Projektes wurden bereits
eine Reihe von möglichen Dispersoidbildnern im
Iridium auf ihre innere Oxidierbarkeit überprüft. Des
Weiteren ist bereits die Untersuchung des Einflusses
einiger möglicher Legierungselemente bzw. Dotierungen auf die Eigenschaften des Iridiums erfolgt. Die
besten Ergebnisse wurden bis jetzt mit der Legierung
IrRe3Mo0,05Hf0,03 erzielt, die 3 % des Legierungselementes Rhenium sowie Dotierungen von 0,05 %
Molybdän und 0,03 % Hafnium enthält. Das Material
blieb bei einer Temperatur von 1800 °C im Zeitstandversuch feinkörnig. Die Zeitbruchlinien in Bild 1 zeigen
eine deutlich höhere Zeitstandfestigkeit und die
Darstellung des Norton´schen Kriechgesetzes in Bild
2 bei der jeweiligen Spannung eine wesentlich geringere Kriechgeschwindigkeit und damit bessere
Formbeständigkeit der neuen Legierung im Vergleich
zu reinem Iridium. Aus der Kriechkurve der Legierung
in Bild 3 mit einer Bruchdehnung von fast 60 % folgt
eine hohe Duktilität. Das Material ließ sich in der
Fertigung sehr gut zu Tiegeln verarbeiten.
X
Investigations on the influence of dopants and dispersed particles on recrystallization behaviour, high
temperature mechanical properties and workability
of iridium
The goal of the project is to develop iridium materials with improved properties: stable fine grain structure and higher strength with good ductility.
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Bild 1: Zeitbruchlinien von Reiniridium und
IrRe3Mo0,05Hf0,03 bei 1800 °C
Bild 2: Norton'sches Kriechgesetz von Reiniridium und
IrRe3Mo0,05Hf0,03 bei 1800 °C
Bild 3: Kriechkurve von IrRe3Mo0,05Hf0,03 bei 1800 °C und
28 MPa Belastung
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