Prozessentwicklung für das Mikro-Pulverspritzgießen von ... - FZK

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Kurzzusammenfassung
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 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 viel versprechende
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 µm 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 µm 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.