Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7342
Prozessentwicklung für das Mikro-Pulverspritzgießen
von Wolfram
Berthold Zeep
Zusammenfassung
Aktuelle
Designentwicklungen eines He-gekühlten Divertors als integriertes Bauteil eines
zu-künftigen Fusionsreaktors gehen davon aus, dass im Bereich des Divertors
circa 300000 kom-plex 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 hochbelaste-ten Umgebung des
Divertors favorisiert. Allerdings stellen die Materialeigenschaften von Wolf-ram
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
Pulverpartikeleigen-schaften, der Binder und der Pulverfüllgrad für eine
Formgebung von Bauteilen mit strukturellen Details in Mikrometerdimension
optimiert. Eine Untersuchung der Spritzgießfähigkeit entwi-ckelter Formmassen
wurde durch Abformexperimente von diversen Kavitäten mit Strukturdetails im
Mikrometerbereich erfolgreich vorgenommen.
Für die Entwicklung eines
Entbinderungsprozesses wurde eine Parametervariation einer zweistu-figen
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 viel
verspre-chende Materialeigenschaften wie eine hohe Härte von 357 HV10 sowie
eine bei 800°C ermittel-te 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 µm bei
gesinterten Proben mit einer Dichte von 99% theoretischer Dichte beobachtet.
Ent-sprechend wurde unter Einsatz einer heißisostatischen Presse eine
alternative Methode zur Ver-dichtung von Wolfram mit einem feinkörnigen Gefüge
mit einer Korngröße von 5,5 µm entwi-ckelt.
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 indus-trielle Anwendungen
bestehen.
Micro-Powder Injection Moulding of Tungsten
Abstract
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 struc-tured
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 suit-able 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 experi-ments 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 µm 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 µm.
In addition to tungsten, a wide range of tungsten alloys are of industrial
interest for e.g. elec-trodes, 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.
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