Der Sinterpfad
Wie in Abbildung 5.2-6 zu erkennen ist, gibt es keine bevorzugte Orientierung der Körner Gz/Gx ≈ 1 oder anormales Kornwachstum [1]. Wang et al. [96, 98] fanden bei SPS gesintertem Al2O3 bei einer Heizrate von 20Kmin-1, 20-40MPa, einer maximalen Temperatur von 1550°C und einer Haltezeit von 10min, dass die Körner eine bevorzugte Orientierung und anisotropes Kornwachstum aufweisen. Ebenso konnten Roy et al. [99] für heiß gepresstes
Al2O3 mit uniaxialen Drücken von 10-50MPa zeigen, dass anisotropes Kornwachstum ab 1550°C beginnt und stärker von der Temperatur als von der Haltezeit und dem mechanischen Druck abhängt. Dies weist ebenfalls darauf hin, dass es kein ausgeprägtes Korngrenzgleiten gibt (siehe Abbildung 2.3-2). Bei Sinterexperimenten mit FAST bzw. SPS und Temperaturen, die tiefer 1550°C sind, wurde bis dato kein anisotropes Kornwachstum berichtet [43, 44, 84, 88]. Ein weiterer Grund für anormales Wachstum sind Verunreinigungen wie SiO2, Na2O und Fe2O3 [100]. Die beiden oben erwähnten Pulver weisen eine höhere Konzent-ration dieser Verunreinigungen auf, was erklären könnte, warum es bei diesen Pulvern, ab-gesehen von der Temperatur, eher zu anisotropem Kornwachstum kommt und hier nicht.
Abbildung 5.2-7 zeigt, dass es keinen von der Position abhängigen Unterschied in der Korngröße gibt. Gründe hierfür sind, dass die durch die Temperaturkalibrierung bestimmten Mindesthaltezeiten immer eingehalten wurden. Gradienten in der Korngröße werden be-richtet, wenn während des FAST-Prozesses hohe Heizraten von ≥ 50 Kmin-1 und Haltezeiten von 0-60sec verwendet werden [98]. Jedoch wird in einem Großteil der Veröffentlichungen über FAST und SPS, die sich mit Kornwachstum auseinandersetzen, keine Untersuchung über Gradienten im Gefüge gemacht [44, 84, 88, 96]. Ein weiterer wichtiger Punkt ist der Aufbau des Experiments bzw. des Presswerkzeugs. In manchen Arbeiten wurde Kohlenstofffilz zur thermischen Isolierung verwendet, was die Abgabe von Wärme an die Umgebung verringert und so zu einer besseren Temperaturhomogenität führt [28, 42]. Diese thermische Isolierung wird noch wichtiger bei hohen Heizraten, da es durch diese schon zu Inhomogenitäten in der Temperaturverteilung kommt. Ebenso ist, wie schon erwähnt, die Position der Temperatur-messung entscheidend [29].
Auswirkung der Heizrate auf die Korngröße
Die Auswirkung der Heizrate auf das Kornwachstumsverhalten wird kontrovers be-schrieben. Auf der einen Seite gibt es experimentelle Ergebnisse, die zeigen, dass das Korn-wachstum umgekehrt proportional zur Heizrate ist, andere wiederum zeigen einen proportio-nalen Zusammenhang [43, 44, 101].
Stanciu et al. [43] untersuchten die Auswirkung der Heizrate auf das Kornwachstum an einem Al2O3-Pulver mit vergleichbarer Primärpartikelgröße (0,1 µm). In den SPS-Experimenten wurde eine maximale Temperatur von 1100°C mit einer Haltezeit von 2 min und einem Druck von 45 MPa verwendet. Die 99 % dichten Proben wiesen bei einer Heizrate von 700Kmin-1die kleinste Korngröße mit etwa 0,5-0,6µm, bei 250 Kmin-1 3-4 µm und bei 50 Kmin-1 eine Korngröße von 6-9 µm auf. Dies würde zeigen, dass sich die Heizrate signi-fikant auf die Korngröße auswirkt. Zhou et al [44] verglichen die Auswirkungen der Heizraten
50Kmin-1 und 300Kmin-1 mit einer Haltezeit von 0 min bei einem Druck von 47 MPa an TMDAR. So weist z.B. eine Probe, die mit 300Kmin-1 auf 1200°C erwärmt wurde, bei einer Dichte von etwa 96% eine Korngröße von G=0,46µm auf. Die mit 50Kmin-1 auf 1200°C erhitzte Probe und eine daraus resultierende Enddichte von ca. 99% weist eine Korngröße von G=0,56µm auf. Gerade in einem Dichtebereich, in dem signifikantes Kornwachstum mit relativ geringer Dichteänderung einhergeht (Abbildung 5.2-8), ist es kritisch, Proben unter-schiedlicher Dichte zu vergleichen.
Kim et al. [101] hingegen fanden bei dicht gesintertem TMDAR (1100 °C, 80 MPa, 20 min) bei einer Heizrate von 8Kmin-1 (G=0,27µm, ρrel = 99,97 %) kleinere Körner im Vergleich zu mit 100Kmin-1 (G=0,55µm, ρrel = 99,41 %) aufgeheiztem. Dies wurde damit begründet, dass das Material bei der höheren Heizrate bis auf 1194°C für 2min überhitzt und das Kornwachstum stärker ausgeprägt ist als bei einer Temperatur von 1150°C.
Die Bestimmung der Korngröße aus den hier gemachten Experimenten mit Heizraten von 10-150 Kmin-1 und einer Haltezeit von 10min zeigen bei einer Dichte von 99% eine mitt-lere Korngröße von G=0,44-0,46±0,1µm und somit offenbar keinen Einfluss der Heizrate.
Weiterhin sind keine Auffälligkeiten, wie Gradienten in der Korngröße, bevorzugte Orientie-rung der Körner bzw. anisotropes Kornwachstum, zu beobachten. Somit kann davon aus-gegangen werden, dass sich während der Haltezeit von 10min die Temperatur homogen über die Probe verteilt hat. Falls die höheren Heizraten einen Einfluss auf das Gefüge hatten, ist dies nach 10min nicht mehr festzustellen. Des Weiteren scheint sich ebenfalls die Über-hitzung nicht signifikant auf das Gefüge ausgewirkt zu haben. Bei einer Heizrate von 150Kmin-1 ist ein Überhitzen von 9 K festzustellen (Abbildung 6.1-4).
Ein zusätzlicher Punkt, der hier angesprochen werden soll, ist der direkte Vergleich von freiem Sintern und Sintern mittels FAST, SPS oder HP, der in früheren Arbeiten gemacht wurde [102-104]. Die generelle Aussage war, dass das Sintern mit FAST bzw. SPS zu wesent-lich kleineren Körnern führt. Wie aus Abbildung 5.2.8 zu entnehmen ist, weisen das HP und das FAST gesinterte TMDAR denselben Sinterpfad auf.
Ein weiterer Faktor, der sich auf das Gefüge auswirkt, ist der Druck. Wie in Abbildung 5.2-8 zu erkennen ist, beginnt das Kornwachstum bei frei gesintertem TMDAR schon bei ge-ringeren Dichten. Dies zeigt auf der einen Seite, dass der Druck eine zusätzliche Triebkraft darstellt, die sich steigernd auf die Verdichtung auswirkt. Auf der anderen Seite kann bei tie-feren Temperaturen gesintert werden, wenn eine vergleichbare Dichte zum Freisintern er-reicht werden soll. Dies bedeutet wiederum, dass die Mechanismen, welche zum Korn-wachstum führen, wie das Wandern von Korngrenzen oder Diffusionsprozesse, noch nicht bzw. nicht so ausgeprägt thermisch aktiviert sind [1].
Um das Kornwachstum bei unterschiedlichen Heizraten wirklich vergleichen zu kön-nen, müssten die jeweiligen Sinterpfade erstellt werden. Ebenso müssen bei dem Vergleich zweier unterschiedlicher Pulver mit ähnlicher Primärpartikelgröße außerdem alle Parameter in Betracht gezogen werden, die einen Einfluss auf das Kornwachstum haben können. Auch dürfen die Höhe der Überhitzung und deren Dauer bei zunehmender Heizrate beim Übergang in die Haltezeit nicht vernachlässigt werden (Abbildung 6.1-4).
Einfluss der Pulssequenz
Des Weiteren bedarf es der Klärung, ob es eine Abhängigkeit des Kornwachstumsver-haltens von der Pulssequenz gibt. Shen et al. [85] konnten anhand von Experimenten mit Al2O3 zeigen, dass es bis 1200°C mit Pulssequenzen (an:aus) von 3:1, 10:9 und 36:2 keinen Einfluss auf die Korngröße gibt. Bei den hier unternommenen Versuchen mit einer Puls-sequenz von 25:5 gab es ebenfalls keine Anzeichen, dass sich diese auf das Kornwachstum auswirkt. Dies zeigt auch der Vergleich mit dem Sinterpfad des heiß gepressten Al2O3, in dem kein gepulster Strom auftritt und sich im Vergleich zu FAST kein unterschiedliches Korn-wachstumsverhalten einstellt (Abbildung 5.2-8).
Einfluss des elektrischen Feldes
Abschließend bleibt noch zu klären, welchen Einfluss das elektrische Feld auf das Kornwachstumsverhalten hat. Dies kann zum einen mit dem hier erhaltenen Sinterpfad (Ab-bildung 5.2-8) erläutert werden. Gäbe es einen messbaren Einfluss des elektrischen Feldes auf das Gefüge mit den hier verwendeten Sinterparametern, sollte dies zu einem unterschied-lichen Sinterpfad für FAST und HP führen. Untersuchungen haben gezeigt, dass es einen Ein-fluss des elektrischen Feldes auf das Kornwachstumsverhalten geben kann. Jeong et al. [105]
und Choi et al. [106] haben in ihren Experimenten an Al2O3 bei einer Temperatur von 1600 °C herausgefunden, dass die Bewegung von Korngrenzen zum einen von der Richtung des elektrischen Feldes und zum anderen von den Dotierelementen bzw. Verunreinigungen abhängig ist. Jeong et al. [105] und Choi et al. [106] verwendeten eine elektrische Feldstärke von 20Vmm-1, die wesentlich höher ist als die während des FAST-Prozesses an der Probe auf-tretende. Um ungefähr abschätzen zu können, wie hoch das elektrische Feld während des FAST-Prozesses maximal sein könnte, wird angenommen, dass über die Probe eine Spannung von 5V (maximale Spannung während der FAST-Experimente) abfällt. Dies führt bei einer 99% dichten Al2O3-Probe mit einer Höhe von ca. 6,25mm zu einer maximalen elektrischen Feldstärke von 0,8Vmm-1. Somit ist unter den oben gemachten Annahmen das elektrische Feld in der FAST-Anlage nicht groß genug, um merkliche Auswirkungen auf die
Korngrenz-wanderung bzw. das Kornwachstum zu haben. Ein weiterer Unterschied zu den Experimenten von Jeong et al. [105] und Choi et al. [106] ist, dass deren Experimente bei um 400K höhe-ren Temperatuhöhe-ren durchgeführt wurden. Es wurde somit ein prinzipieller Einfluss des elektri-schen Feldes auf das Kornwachstum bzw. die Bewegung der Korngrenzen bei Al2O3 gefunden.
Es müsste jedoch untersucht werden, wie groß das elektrische Feld in dem hier betrachteten Temperaturbereich sein müsste, um Einfluss zu nehmen.
Porenanalyse
Abschließend zur Gefügeanalyse bleibt noch die Betrachtung der Poren und der loka-len Dichte. Die Bestimmungen der lokaloka-len Dichte bzw. der gesamten Porenfläche mit Image J haben ergeben, dass die Poren ab Dichten von etwa 65-70 % für beide Sintermethoden etwa gleichermaßen schrumpfen. Die relative Verschiebung der Porenverteilung von HP und FAST wurde zuvor schon erläutert (Abbildung 5.2-10 und Abschnitt 6.1.2).
Die Bestimmung der Ausrichtung der Poren in Abbildung 5.2-9 zeigt, dass es keine be-vorzugte Orientierung für beide Sintermethoden gibt. Dies deutet darauf hin, dass die Unter-schiede zwischen FAST und HP keinen messbaren unterschiedlichen Einfluss auf die Poren haben.