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Physikalische Metallkunde

Leiter der Abteilung: Dr.-Ing. Alexander Kauffmann

Wissenschaftliche Mitarbeiter

Dr.-Ing. Sascha Seils
Dipl.-Ing. Hans Chen
M.Sc. Camelia Gombola
M.Sc. Aditya Srinivasan Tirunilai
M.Sc. Susanne Obert
M.Sc. Stephan Laube

unterstützt wird unsere Arbeit von unseren APT-Kollegen der KNMF:
Dr. Torben Boll
Dr.-Ing. Sascha Seils

Kernkompetenz

In der Abteilung Physikalischen Metallkunde werden neue, metallische Werkstoffe für extreme Bedingungen auf Grundlage metallphysikalischer Methoden untersucht und entwickelt. Der Fokus liegt dabei auf Materialien auf Basis intermetallischer Phasen zur Steigerung der Effizienz von Maschinen mit hohen Betriebstemperaturen. Dabei sind im Allgemeinen eine gute Hochtemperaturfestigkeit und Kriechbeständigkeit sowie eine hohe Oxidationsstabilität kombiniert mit ausreichender Bruchzähigkeit bei niedrigen Temperaturen zentrales Entwicklungsziel. Darüber hinaus werden in unserer Abteilung auch das grundlegende Verhalten von Kontaktwerkstoffen in Vakuumschaltern sowie das mechanische Verhalten von bestimmten Legierungen bei sehr tiefen Temperaturen untersucht.

Materialsynthese

Die Materialherstellung erfolgt in unserem Materialsyntheselabor, wo folgende Methoden zur Verfügung stehen:

  • Schmelzmetallurgie mit Lichtbogenofen und Zonenschmelzanlage zur gerichteten Erstarrung
  • Pulvermetallurgie mit Attritor, Planetenkugelmühle, Cryomahlen und Heißpressen
  • Wärmebehandlungen in diversen Atmosphären

Charakterisierungsverfahren

Zur Charakterisierung der mechanischen und thermophysikalischen Eigenschaften sowie des Gefüges metallischer Materialien stehen neben einer gut ausgerüsteten Materialografie mit einigen Lichtmikroskopen weitere Charakterisierungsmethoden zur Verfügung:

  • Mechanische Prüfmaschinen für Zug-, Druck- sowie zyklische Beanspruchungen sowie für Kriechexperimente an Luft und in Vakuum
  • Thermische Analyseverfahren wie Thermogravimetrie (TGA), Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) und Gasanalyse
  • Fokussierter Ionenstrahl (FIB) zur mikroskopischen Zielpräparation
  • analytische Rasterelektronenmikroskopie mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) und Orientierungsabbildung mittels Rückstreuelektronenbeugung (EBSD)
  • Röntgenbeugung (XRD)
  • dreidimensionale Atomsondentomografie (APT)

 

 

Aktuelle Veröffentlichungen

 

Crystallographic ordering in a series of Al-containing refractory high entropy alloys Ta-Nb-Mo-Cr-Ti-Al alloys

Das Auftreten kristallografischer Ordnung in konfigurationsentropiestabilisierten Legierungen kann einen erheblichen Einfluss auf die Duktilität der Legierungen bei tiefen und mittleren Temperaturen haben. Aus diesem Grund haben wir uns in dieser aktuellen Arbeit zusammen mit Kollegen der Brown University (Providence, USA), dem Max-Planck-Institut für Eisenforschung Düsseldorf, der Universität Siegen, des ITEP am KIT und der KNMF mit der Aufklärung und den Eigenschaften kristallografischer Ordnung in Legierungen des Ta-Nb-Mo-Cr-Ti-Al-Systems beschäftigt. Die Vielfalt der Besetzungsmöglichkeiten der kristallografischen Lagen in diesen Legierungen kann die Aufklärung von Ordnung durch typischerweise eingesetzte Beugungsmethoden erschweren oder verhindern. Stattdessen sollten die charakteristischen Wärmetönungen der Ordnungs-Unordnungsreaktionen für die schnelle, zuverlässige Identifikation von Ordnungsphänomenen herangezogen werden.

Microstructural evolution during creep of lamellar eutectoid and off-eutectoid FeAl/FeAl2 alloys

Um die genauen Vorgängen während des Kriechens des lamellaren FeAl-FeAl2-Eutektoids bei 700 °C genauer zu verstehen, haben wir in unserer aktuellen Studie zusammen mit Prof. Kumar von der Brown University (USA) intensive, lokale Analysen der verformten Gefüge erstellt. Es zeigt sich, dass das beobachtete Minimum in der Dehnrate ein Resultat des variierenden Beitrags der beiden beteiligten Phasen zur Kriechverformung darstellt. Überraschenderweise zeigt FeAl2 trotz seiner triklinen Kristallstruktur plastische Verformung durch Versetzungsbewegung und mechanische Zwillingsbildung. Bei hohen Dehnungen wird der Beitrag der Koloniegrenzen dominant.

Constitution, oxidation and creep of eutectic and eutectoid Mo-Si-Ti alloys

Zusammen mit Kollegen der Universität Siegen vergleichen wir in unserer aktuellen Arbeit die Gefügeentwicklung sowie das Oxidations- und Kriechverhalten von nahezu zweiphasigen Mo-Si-Ti-Legierungen. Die von uns identifizierte eutektische Legierung Mo-20.0Si-52.8Ti (at.%) zeigt als erste Legierung mit einem hohen Anteil an Mo-reichem Mischkristall (~ 50 vol.%) eine äußerst beeindruckende Stabilität ggü. katastrophaler Oxidation durch Verdampfung von MoO3 bei 800 °C. In Kombination mit ihrer Dichte von lediglich 6.2 g/cm³ macht sie dies zu einem aussichtereichen Kandidaten für die Weiterentwicklung von strukturellen Hochtemperaturanwendungen an Luft.

Peculiarities of deformation of CoCrFeMnNi at cryogenic temperatures

Zusammen mit Kollegen des ITEP/CryoMaK sowie der KNMF, des IFW Dresden und der Universität Bayreuth haben wir uns in diesem Beitrag mit besonderen Phänomenen der Plastizität von CoCrFeMnNi bei sehr tiefen Temperaturen beschäftigt. Hauptaugenmerk lag dabei auf der Wirkung mechanischer Zwillingsbildung auf das Verfestigungsverhalten und der stark ausgeprägten, diskontinuierlichen plastischen Verformung bei 4,2 bzw. 8 K.

Phase Evolution in and Creep Properties of Nb-Rich Nb-Si-Cr Eutectics

In dieser Arbeit haben wir uns mit der exakten Lokalisierung des ternären Eutektikums auf der Nb-reichen Seite des Systems Nb-Si-Cr und seiner Eigenschaften beschäftigt. Wir konnten den eutektischen Punkt anhand von Gefüge- und Phasenanalysen präzise bestimmen und die thermische Stabilität sowie das Kriechverhalten von eutektisch erstarrten Legierungen untersuchen.

Contribution of Lattice Distortion to Solid Solution Strengthening in a Series of Refractory High Entropy Alloys

Zusammen mit Kollegen des IAM-WBM und der Universität Siegen haben wir uns in diesem Beitrag mit der Mischkristallhärtung in Al-haltigen, refraktären "High Entropy Alloys" beschäftigt.  Wir konnten eine Korrelation der Abweichung der Atomradien in diesen Legierungen und der Härte bei Raumtemperatur beobachten. Der grundlegende Charakter dieser Korrelation wird durch eine temperaturabhängige Erfassung mechanischer Eigenschaften unterlegt.

Microstructure Formation and Resistivity Change in CuCr during Rapid Solidification

In diesem aktuellen Beitrag haben wir zusammen mit Kollegen von der Plansee Powertech AG, der Technischen Universität Darmstadt und des ITEP untersucht, wie das Gefüge in oberflächennahen Randschichten in einem Kontakt eines Vakuumschutzschalters entsteht und wie sich die entsprechenden elektrischen Eigenschaften in diesem Bereich dadurch verändern.
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Combinatorial exploration of the high entropy alloy system Co-Cr-Fe-Mn-Ni

Mit Unterstützung unserer Kollegen vom IAM-AWP, der KNMF und der Universität Siegen haben wir eine erste Studie zur kombinatorischen Erforschung der Cantorlegierung durchgeführt und untersucht welche Kristallstrukturen und Gefüge bei der Abscheidung von Co-Cr-Fe-Mn-Ni durch Magnetronsputtern auftreten.

Creep of binary Fe-Al alloys with ultrafine lamellar microstructures

Durch eine Kooperation unserer Abteilung mit der Brown University (Providence, USA) und dem MPIE Düsseldorf konnten wir die gefügebedingten Ursachen für das spezielle Kriechverhalten von lamellaren Fe-Al-Legierungen FeAl und FeAl2 aufklären.

Enhanced Oxidation Resistance of Mo-Si-B-Ti Alloys by Pack Cementation

In Zusammenarbeit mit unseren Kollegen der University of Wisconsin - Madison und der Universität Siegen haben wir gezeigt, dass eine geeignete Packbeschichtung von Mo-Si-B-Ti-Legierungen zu einer deutlich verbesserten Oxidationsbeständigkeit beitragen können.

Microstructure and mechanical properties at elevated temperatures of a new Al-containing refractory high-entropy alloy Nb-Mo-Cr-Ti-Al

Zusammen mit unseren Kollegen der Universität Siegen haben wir die Phasenbildung und das mechanische Verformungsverhalten einer neuartigen, konfigurations-entropiestabilisierten Legierung auf Basis von Nb-Mo-Cr-Ti-Al untersucht und konnte somit Rückschlüsse auf die Thermodynamik dieser Legierungsvariante und die grundlegenden Verformungsmechanismen ziehen.

Orientation relationship of eutectoid FeAl and FeAl2

Zusammen mit Kollegen des MPIE Düsseldorf und dem ITEP und INT des KIT konnten wir die Orientierungsbeziehung von FeAl und FeAl2 in eutektoid zerfallenen Legierungen nachwiesen und Rückschlüsse auf den Aufbau der Grenzflächen in diesen lamellaren Materialien ziehen.