schellert

In diesem Übersichtsartikel, der in Zusammenarbeit mit dem IAM-AWP und der Universität Siegen entstanden ist, fassen wir den aktuellen Stand der Forschung zur Oxidationsbeständigkeit von refraktärmetallbasierten High Entropy Alloys zusammen. Der aktuelle Literaturstand wird dabei für diese neue Werkstoffgruppe hinsichtlich der Legierungszusammensetzung, der Massenänderungen, der Korrosionsprodukte und des Schichtaufbaus bewertet. Neben den von den Refraktärmetallen bekannten Problemen hinsichtlich der Oxidationsbeständigkeit, gibt es auch einzelne Beispiele für Legierungen mit sehr guter Oxidationsbeständigkeit. Dabei treten bereits bekannte, schützende Oxidschichten auf, aber auch das komplexe CrTaO₄ rückt als schützendes Oxid in den Fokus. Neben der Zusammenfassung der Ergebnisse werden die thermodynamischen und kinetischen Aspekte der Schichtbildung und des Schichtwachstums beleuchtet sowie Perspektiven und Notwendigkeiten für die künftige Entwicklung dieses Forschungsfeldes herausgearbeitet.

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In dieser Arbeit des CryoMaK am ITEP und der PhM beschäftigen wir uns mit den temperatur- und dehnungsabhängigen Beiträgen zur plastischen Verformung von HfNbTaTiZr. Die sogenannte Senkovlegierung dient dabei als außergewöhnlich duktiles Modellsystem zur Erforschung der Verformungsmechanismen in konzentrierten kubischraumzentrierten Mischkristallen. Dazu haben wir in Druckversuche bei Temperaturen von 77 K bis 1073 K kontrolliert eingestellte plastische Dehnungen realisiert und das entstandene Gefüge analysiert. Das Verfestigungsverhalten wird dabei stark durch die Temperatur bei der Verformung bestimmt. Durch Orientierungsabbildung mittels Rückstreuelektronenbeugung konnten wir das Auftreten der bereits bekannten Kinkbandbildung auf Temperaturen unterhalb von 1073 K eingrenzen. Die beobachteten Kinkbänder haben wir ausführlich hinsichtlich der auftretenden Orientierungsänderungen über die Kinkbandgrenzen und entlang der Kinkbänder statistisch relevant ausgewertet.

obert

In dieser Studie präsentieren wir neue Mo-Si-Ti Legierungen mit einer bisher einzigartigen Kombination aus Oxidations- und Kriechbeständigkeit im Vergleich zu gegenwärtigen Mo-Si-basierten Legierungssystemen. Wir stellen einen Ausweg aus dem typischen Dilemma von Ti- vs. Mo-Gehalt und somit Oxidations- vs. Kriechbeständigkeit dar, indem von einem mit Ti substituierten Mo-Silizid, dem (Mo,Ti)₅Si₃, profitiert wird. Durch dessen Primärerstarrung während der schmelzmetallurgischen Herstellung sind feinstrukturierte Gefüge mit (Mo,Ti)₅Si₃ Partikeln in einer eutektisch-eutektoiden Matrix erzielbar. Diese Legierungen besitzen eine sehr gute Oxidationsbeständigkeit im Temperaturbereich von 800 bis 1200 °C. Zugleich weisen sie Solidustemperaturen oberhalb von 1900 °C auf, so dass sie zu den kriechbeständigsten Mo-Si-Ti Legierungen gehören. Wir zeigen neben den resultierenden Gussgefügen und typischen Oxidschichten, kriechverformte Gefüge und vergleichen das erzielte Eigenschaftsprofil mit einer kommerziell verwendeten Ni-Basis Superlegierung.

obert

In dieser Veröffentlichung gehen wir der Ursache der außergewöhnlich guten Oxidationsbeständigkeit (Pesting-Stabilität) einer eutektischen Mo-Si-Ti Legierung auf den Grund. Hierfür untersuchen wir den mikrostrukturellen und chemischen Aufbau der Oxidschichten, die sich im Temperaturbereich von 800 °C bis 1200 °C bilden. Mittels Rasterelektronenmikroskopie und Röntgendiffraktometrie unter streifendem Einfall weisen wir hauptsächlich amorphes SiO₂ und Rutil-TiO₂ nach. Atomsondentomographie gibt Aufschluss über die entsprechenden chemischen Zusammensetzungen der Oxide. Die Analyse des Oxidschichtwachstums zeigt, dass bei 800 °C die Kinetik bis 100 h linear, also reaktionsbestimmt, ist und anschließend kubisch. Die geringe Oxidationskonstante führt zu dem sehr langsamen Oxidschichtwachstum. Im Vergleich hierzu erfolgt das Schichtwachstum bei 1200 °C parabolisch und somit diffusionskontrolliert.

kauffmann

In dieser aktuellen Studie widmen wir uns den Gründen für das Auftreten diskontinuierlicher, plastischer Verformung in kubischflächenzentrierten Metallen und Legierungen bei Temperaturen nahe 0 K. Unsere früheren Untersuchungen [Tirunilai et al., Journal of Materials Research 33 (2018) 3287-3300] legten eine Verbindung zu versetzungsbasierten Prozessen nahe. Unsere aktuelle Studie zeigt , dass der Mechanismus auf den Versetzungsaufstau an Lomer-Cotrell Locks sowie der Möglichkeit zum Ausweichen durch Quergleitung zurückzuführen ist. Die Beschreibung geht dabei auf eine bereits bestehende Hypothese von A. Seeger zurück [A. Seeger in Dislocations and Mechanical Properties of Crystals (1958), John Wiley & Sons, New York, 243-330]. Wir konnten durch die systematische Untersuchung des Temperatur- und Vorverformungseinflusses andere potentielle Hypothesen zur Entstehung bzw. zu signifikanten Einflüssen ausschließen.

gombola

Zusammen mit unseren Kollegen der Otto von Guericke Universität und des Helmholtz-Zentrums Geesthacht stellen wir in dieser Arbeit eine neue Methode zur zeitaufgelösten In-Situ-Untersuchung von gerichteten Erstarrungsprozessen mit hochenergetischer Synchrotronstrahlung vor. Die Anlage ist speziell für den Einsatz an der HEMS Beamline P07 ausgelegt und damit eine wertvolle Ergänzung der Infrastruktur von Petra III (DESY, Hamburg). Flüssig-Fest Übergänge, Umwandlungs- und Zersetzungsvorgänge verschiedener Werkstoffen mit bis zu 2000 °C Liquidustemperatur konnten mithilfe dieses Aufbaus untersucht werden. Um die Einsatzmöglichkeiten aufzuzeigen, wurden aus fünf Legierungssystemen verschiedene Zusammensetzungen, Dichten und Probengeometrien sowie unterschiedliche Prozessparameter getestet. In dieser Arbeit wurden Versuchsergebnisse zu zeitaufgelösten Prozessen von TiAl und FeAl-Legierungen vorgestellt. Weitere detaillierte experimentelle Ergebnisse sind anderweitig veröffentlicht worden.

gombola

Aus Vorarbeiten zur thermodynamischen Berechnung und Validierung des quaternären Systems Ni-Al-Cr-Mo ging erstmals der Verlauf einer eutektischen Rinne hervor (Peng et al. in Journal of Phase Equilibria and Diffusion 37 (2016) 592-600). In unserer aktuellen Studie untersuchten experimentell NiAl-(Cr,Mo) Legierungen entlang der eutektischen Rinne von Raum- bis zur Liquidustemperatur. Dabei konnten wir die untersuchten Legierungen anhand der entstehenden Morphologie und Mo Konzentration in vier Gruppen (I - IV) einteilen. Mithilfe von in-situ-Röntgenuntersuchen während der Erstarrung wurde nachgewiesen, dass durch Segregation, vor allem in Gruppe III, innerhalb der Kolonien Konzentrationsunterschiede entstehen. Deren Auswirkungen auf die Gitterparameter und damit auf die Gitterfehlpassung sowie auf die Orientierungsbeziehung wurde in dieser Studie anhand des Vergleichs einer NiAl-9.6Cr-10.3Mo-Legierung aus Gruppe III zu NiAl-34Cr (I) und NiAl-10Mo (IV) diskutiert.

laube

Nachdem wir in einer zurückliegenden Studie Methoden zur schnellen und sicheren Identifikation von Ordnungsphänomenen in HEA ermittelt haben (Chen et al. in Acta Materialia 176 (2019) 123-133), konnten wir diese in einer aktuellen Studie mit den Kollegen der Universität Siegen dazu nutzen, um Legierungen des Mo-Cr-Ti-Al gezielt hinsichtlich der Duktilität weiter zu entwickeln. In der Tat ist der Übergang von der geordneten zur ungeordneten Kristallstruktur mit einer Reduktion der Fließspannung verbunden. Gleichzeitig kann die Duktilität bei Raumtemperatur aber signifikant verbessert werden.

ast

Zusammen mit unseren Kollegen des ITEP am KIT, der Ruhr-Universität Bochum und des IFW Dresden haben wir in dieser Studie die Beiträge der Mischkristallverfestigung in den konfigurationsentropiestabilisierten Legierungen CoCrFeMnNi, CoCrNi und NiCo anhand der Temperaturabhängigkeit der Festigkeit bis zu Temperaturen nahe des absoluten Nullpunktes analysiert. Es zeigt sich, dass die Mischkristallverfestigung in CoCrFeMnNi und CoCrNi trotz eines deutlichen Festigkeitsunterschieds bei Raumtemperatur ähnlich sind. Darüber hinaus haben wir das Auftreten zusätzlicher Verformungsmechanismen, wie mechanische Martensit- und Zwillingsbildung, sowie einer Streckgrenzenanomalie bei sehr tiefen Temperaturen adressiert.