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.

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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.

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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.

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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.

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Aus den Arbeiten der Arbeitsgruppe unseres Kollegen Prof. Perepezko von der University of Wisconsin – Madison wissen wir, dass durch das sogenannte „pack cementation“ Verfahren die Oxidationsbeständigkeit von Mo-Si-B Substraten signifikant durch die Aufbringung einer SiO₂ Schicht verbessert werden kann. In unserer gemeinsamen Zusammenarbeit haben wir untersucht, wie sich eine so aufgebrachte Schutzschicht unter zeitabhängiger, mechanischer Belastung bei einer Temperaturen von 1200 °C verhält. Die durch die konstante Last aufgebrachte Verformung der Substrate führt zu Rissbildung in der Schutzschicht quer zur aufgebrachten Lastrichtung. Dadurch kommt es jedoch nicht zu einem fatalen Versagen der Substrate durch einen geminderten Oxidationsschutz. Die Risse werden durch die Selbstheilungseigenschaften der Schicht wieder verschlossen.

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Die Verstärkung durch nur wenige Nanometer große Oxidpartikel führt in pulvermetallurgisch hergestellten, oxidpartikelverstärkten (ODS-)Stählen zu hochfesten und kriechbeständigen Werkstoffen, die eine Erhöhung der Einsatztemperatur im Vergleich zu klassischen, hochwarmfesten Stählen versprechen. In unserer Studie haben wir die temperaturabhängige Festigkeit ferritischer und austenitischer ODS-Stähle untersucht. Für das mechanische Legieren austenitischer ODS-Stähle zeigt sich, dass die Verwendung elementarer Ausgangspulver vorteilhaft ist. Die geringere Raumtemperaturfestigkeit austenitischer ODS-Stähle lässt sich auf geringere Beiträge der Feinkorn- und Versetzungshärtung im Vergleich zur ferritischen Variante zurückführen, wie die Bestimmung typischer Härtungsbeiträge aus mikrostrukturellen Kenngrößen zeigt. Im Hochtemperaturbereich erklärt die Erzeugung und Annihilation von Versetzungen an Korngrenzen den beobachteten Abfall der Druckfestigkeit oberhalb von etwa 500 °C zufriedenstellend.

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Nachdem wir in Vorarbeiten erstmals eine, bei Temperaturen unterhalb von 1000 °C, oxidationsstabile Mo-basierte, eutektische Legierung Mo-20Si-52,8Ti (at%) erzielen konnten, widmet sich unsere neue Forschungsarbeit, in Zusammenarbeit mit unseren Kollegen der Universität Siegen, der Aufklärung der chemischen und strukturellen Bedingungen für diese unerwartete Oxidationsstabilität. Es wird gezeigt, dass sich ein hoher Ti-Gehalt in eutektisch-eutektoiden Mo-Si-Ti Legierungen vorteilhaft auf die Oxidationsbeständigkeit auswirkt, da sich dieser insbesondere gut im oxidationskritischen Mo-Mischkristall löst. Dadurch wird die Bildung von festen Ti-Si-reichen Oxidschichten ermöglicht und die Abdampfung von flüchtigen Mo-Oxiden kompensiert. Wir beleuchten, dass hierbei ab einem Grenzwert an nominellem Ti Gehalt von 43 at% eine gute Oxidationsbeständigkeit erzielbar ist, unabhängig von dem Volumenanteil an Eutektikum und von der Feinheit der eutektisch-eutektoiden Gefüge.