Für den Einsatz im Hochtemperaturbereich eignet sich nur eine geringe Anzahl an Werkstoffen. Neben speziellen metallischen Legierungen zählen hierzu vor allem keramische Materialien wie beispielsweise Siliciumnitrid, welches sich durch seine extrem hohe thermomechanische Belastbarkeit auszeichnet.

Die Integration keramischer Komponenten in thermisch hoch belastete metallische Baugruppen eröffnet Möglichkeiten wie zum Beispiel die Anhebung von Prozeßtemperaturen zur Steigerung von Wirkungsgraden oder die Erhöhung von Standzeiten auch stark korrosiv und abrasiv belasteter Bauteile.

Dem gegenüber stehen die zum Teil immer noch sehr kostenintensive Fertigung sowie eine ungenügende Akzeptanz in der konstruktiven Praxis, probabilistische Methoden zur Auslegung keramischer Komponenten heranzuziehen.

Die Auslegung keramischer Bauteile kann im Gegensatz zu metallischen nicht alleine nach der Höhe der Beanspruchung erfolgen. Unter Berücksichtigung statistischer Verfahren besteht die Möglichkeit, in Abhängigkeit der Spannungshöhe und -verteilung die Kurzzeit- und Langzeitfestigkeit zu ermitteln. Bei Kenntnis der notwendigen Werkstoffparameter werden diese Berechnungen sinnvollerweise mit Hilfe spezieller Postprozessoren durchgeführt, die auf den Ergebnissen der FE-Berechnungen aufsetzen. Elementar ist in diesem Zusammenhang die Anwendung einer geeigneten Verbindungstechnik. Sie muß durch entsprechende konstruktive Maßnahmen die Funktion der Verbindung über den gesamten Temperaturbereich unter Berücksichtigung unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten sowie der extremen Zugempfindlichkeit sicherstellen.

Die Verwendung von Polygonen soll im Vergleich mit rein kraft- und formschlüssigen Verbindungen zu einer Steigerung der übertragbaren Kräfte zwischen der metallischen und der keramischen Komponente in einem möglichst großen Temperaturbereich führen. Hierbei kommen folgende Vorteile der P3G-Verbindung für eine sichere Drehmomentübertragung zum Tragen:

• Unmittelbare Drehmomentübertragung zwischen Welle und Nabe ohne zusätzliches Verbindungselement

• Hohe Tragfähigkeit durch konvexe, harmonische Profilform, wodurch Spannungsspitzen bei flächiger Anlage weitgehend vermieden werden

• Das P3G-Profil stellt geometrisch ein Gleichdick dar, welches die Eigenschaft besitzt, sich unter Torsionsbelastung selbst zu zentrieren.

•  Analytische und experimentelle Ermittlung der die Tragfähigkeit bestimmenden Parameter sowie deren Wechselwirkungen
• Bestimmung von Kurz- und Langzeitfestigkeit der Metall-Keramik-Polygonverbindung
• Experimentelle Beurteilung der analytisch ermittelten Werte durch HT-Torsionsversuche

• FEM-Spannungsanalysen mit dem Programmsystem ANSYS (Bild 1)

- Parameterstudien der Verbindung

Experimentelle Methoden:

Für vergleichende Aussagen werden diese Verbindungen auch als reine Metall-Metall-Verbindung getestet. Im Anschluß an die Versuche kann die Bruchstelle der Keramik fraktographisch untersucht werden (Bild 2). Hierbei lassen sich Rückschlüsse auf den Entstehungsort und die Ursache des Bruches ziehen.

Bestimmung für die Berechnung der Ausfallwahrscheinlichkeit keramischer Bauteile notwendiger temperaturabhängiger Kennwerte in Hoch-temperatur-4-Punkt-Biegeversuchen.