Residual stresses and thermal fatigue damage in metal matrix composites for heat sink applications

Abstract

In dieser Arbeit wird die Anwendung zerstörungsfreier Prüfmethoden auf die Charakterisierung von Metallmatrix-Verbundwerkstoffen (MMC) beschrieben. Innere Spannungen und thermische Ermüdungsschädigung neuer MMC werden unter simulierten Belastungen untersucht, denen Hochleistungswärmeleiter ausgesetzt sind.<br />Neue Methoden, wie Synchrotron- und Neutronendiffraktion kombiniert mit Synchrotrontomografie, ermöglichen es, Werkstoffveränderungen im Inneren während zyklischer Temperaturbelastungen zu erforschen. Partikel sowie Monofilament verstärkte, hoch leitfähige Metalle werden als typische Beispiele für MMC-Architekturen verglichen. Mikrospannungen entstehen in MMC beim thermischen Zyklieren durch große Unterschiede in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) und den Elastiztitätsmoduli zwischen Matrix und Verstärkung. Diffraktion liefert die spannungsinduzierte Matrixverformung, aus deren Relaxation auf Plastifizierung und innere Schädigung geschlossen wird. Um die bleibenden Verformungen von inneren Poren und Rissen zu identifizieren, wird Synchrotron-Tomografie während und nach thermischem Zyklieren eingesetzt. Poren werden in Aluminium mit hohem Partikelvolumenanteil von SiC oder Diamant (PRM: Al und AlSi7(Mg)/SiC/60-70p oder Al und AlSi7/CD/60p) mit großem CTE Unterschied ([Delta]CTE =20 bzw. 25 ppm/K) quantifiziert.<br />Diese Poren entstanden durch Schrumpfen der Metallmatrix, mit der dicht gepackte Vorformen infiltriert wurden. Der Porenvolumenanteil ändert sich bei thermischem Zyklieren (RT - 350°C) durch spannungsinduzierte visko-plastische Matrixverformung. Ein anomaler CTE-Abfall wird durch die bei steigender Temperatur in diese Poren expandierende Matrix hervorgerufen, welche beim Aufheizen schrumpfen und sich beim Abkühlen erneut öffnen. In der Al-Matrixlegierung eutektisch entmischtes Si bildet steife Brücken sowohl zwischen SiC- als auch Diamantpartikeln, wodurch die Verstärkungsarchitektur von in einer Matrix eingebetteten Partikeln zu einem interpenetrierten Verstärkungsnetzwerk umgewandelt wird, in das die Matrix eingebettet ist. Die Beständigkeit von Wärmesenken für die Leistungselektronik, die Temperaturzyklen unterworfen sind, wird durch einen interpenetrierenden Verbundwerkstoff mit 3D Verstärkungsstruktur und geringem Porenanteil verbessert, da sich die lokalen Partikel-Matrixablösungen weniger ausbreiten können.<br />SiC Monofilament verstärktes Kupfer (MFRM: Cu and CuCr1Zr/SiC or W/10-50m) vereint den niedrigen CTE der Faser mit der hohen thermischen Leitfähigkeit der Cu Matrix. Die Grenzflächenhaftung wird durch Ti-Beschichtung der Fasern erhöht. Schwache Haftung führt zu Ablösung an den Faser-Matrix Grenzflächen und starke Haftung zu Matrixschädigung durch plastifizierende Scherspannungen beim thermischen Zyklieren (RT - 550°C). In spröden SiC Fasern werden Risse identifiziert, die bei der Produktion entstanden sind. Diese rufen beim Zyklieren fortschreitende thermische Ermüdungsschädigung hervor, die zu zunehmender, bleibender Verlängerung der MFRM führt. Derartige Risse treten in den duktileren W-Fasern nicht auf. W-Monofilament verstärktes Kupfer zeigt starke Haftung selbst ohne Grenzflächenbehandlung. In Cu/W/20m entstehen bei den untersuchten Temperaturzyklen hohe Spannungsamplituden die zu plastischer Matrixverformung führen. In Monofilament verstärkten Cu Verbundwerkstoffen muss die Grenzflächenhaftung groß genug sein, um durch thermische Spannungen induzierte Delaminationen zu verhindern (Spannungsamplitude < Grenzflächenhaftung). Die Grenzflächenhaftung soll aber die Matrix-Scherfestigkeit nicht überschreiten (Grenzflächenhaftung >Matrix-Scherfestigkeit), sodass unter Betriebsbedingungen von Divertoren in Fusionsreaktoren optimale Langzeithaltbarkeit von MFRM mit ausreichender Haftung erwartet wird, in denen die thermisch induzierten Grenzflächenspannungen die Scherfestigkeit der Matrix nicht überschreiten.<br />

This work is dealing with non-destructive testing of heterogeneous materials for fundamental research in materials science.<br />Recently developed metal matrix composites emerging in the field of high performance heat sink materials are investigated concerning their internal stresses and thermal fatigue damage mechanisms under simulated operation conditions. New methods like synchrotron and neutron diffraction are combined with synchrotron tomography to enable new insights of composites. Particle as well as monofilament reinforced metals are investigated covering two main composite architectures.<br />Diffraction gives information on the micro stresses in the composite during thermal cycling due to the mismatch in thermal expansion and in the Young's moduli between matrix and reinforcement. Matrix deformation and damage as well as delamination at the interfaces are caused by those stresses and correlated relaxation can be identified by diffraction owing to a reduction of the stress amplitude. Tomographic imaging of the internal structure is achieved in situ during thermal cycling revealing thermal fatigue damage. Pore evolution and crack propagation are visualized in 3D in the bulk of the material.<br />Initial voids are identified in particle reinforced aluminum with high particle volume fractions of SiC or diamond (PRM: Al and AlSi7(Mg)/SiC/60-70p or Al and AlSi7/CD/60p) and big CTE mismatch ([Delta]CTE =20 and 25 ppm/K, respectively), which are formed by a shrinking matrix metal in a densely packed particle preform. These voids change their volume fraction during thermal cycling (RT - 350°C) by stress induced visco-plastic matrix deformation. An anomalous CTE decrease is caused by internal accommodation of the expanding matrix into those voids, which shrink during heating and reopen during cooling again. Eutectic Si segregation in the matrix alloy changes the reinforcement architecture from isolated particles embedded in a matrix into an interpenetrating reinforcement network by bridging the particles thus embedding the metal matrix. The long term stability of heat sinks for power electronic components using a 3D reinforcement architecture forming an interpenetrating composite is significantly improved concerning delamination during heating.<br />SiC monofilament or W-fiber reinforced Cu (MFRM: Cu and CuCr1Zr/SiC or W/10-50m) combine the low CTE of the fiber with the high thermal conductivity of the Cu matrix. Sufficient interface bonding quality is important for the long term stability of the MFRM and is improved by Ti coated SiC-monofilaments. Weak bonding causes delamination at the fiber-matrix interfaces, and too strong bonding causes matrix damage by interfacial shear stresses during thermal cycling (RT - 550°C). Fiber cracks could be identified in the brittle SiC monofilaments. These cracks originated from production cause accumulating elongation by thermal fatigue damage. Those cracks could not be observed in the more ductile W fibers. W monofilament reinforced Cu has a strong bonding even without any interface treatment. Cu/W/20m exhibit good bonding at high micro stress amplitudes, but severe matrix plastification occurs owing to the limited strength of pure Cu. In monofilament reinforced copper composites the interface bonding strength has to be balanced between stress induced interface delamination (if stress >bonding strength) and matrix shear strength (if stress > matrix shear strength) to achieve a good long term stability under intended operation conditions of divertor components in fusion reactors.<br />