eusterholz

Bauteile in Hochtemperaturanwendungen wie Schmelzgussprozessen unterliegen großen thermischen Gradienten. Eine deutliche Erhöhung der Thermoschockbeständigkeit der zum Einsatz kommenden Refraktärkeramiken kann durch Einbringen einer metallischen Komponente und mittels resistivem Vorheizen gelingen. Aufgrund des ähnlichen thermischen Ausdehnungsverhaltens eignet sich die Kombination von Aluminiumoxid mit den Refraktärmetallen Nb oder Ta. Während der sintertechnischen Herstellung der Komposite hat die mögliche Bildung weiterer Phasen durch eine Reaktion der beteiligten Pulver untereinander oder mit der Umgebung einen entscheidenden Einfluss auf die Werkstoffeigenschaften. Durch Röntgendiffraktometrie und rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen wird deutlich, dass Proben aus Al₂O₃ und Nb das binäre Oxid NbO bilden, während in Al₂O₃-Ta die ternäre Verbindung AlTaO₄ (Aluminiumtantalat) in ihrer tetragonalen Hochtemperaturmodifikation vorliegt. Thermodynamische Berechnungen darüber hinaus zeigen, dass die sich ändernde Sauerstofflöslichkeit im Nb- bzw. Ta-Mischkristall für die Bildung von NbO bzw. AlTaO₄ verantwortlich ist und erklären das Fehlen einer dem Tantalat entsprechenden ternären Phase (AlNbO₄).

tirunilai

(Fe_40.4Ni_11.3Mn_34.8Al_7.5Cr₆)C_1.1 ist eine interstitiell legierte High Entropy Alloy (HEA), die aufgrund der Ausbildung eines Taylorgitters und der Ausbildung von Verformungsbändern bei Raumtemperatur sehr gute mechanische Eigenschaften zeigt (Wang et al., Acta Materialia 120 (2016) 228 - 239). In unserer aktuellen Studie mit Kollegen des Dartmouth College und des ITEP haben wir diese Legierungen auf ihr Verformungsverhalten bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt untersucht. Während die Ausbildung von Verformungsbändern und des Taylorgitters eher charakteristisch für Legierungen mit mittlerer bis hoher Stapelfehlerenergie sind, kommt es bei sehr tiefen Temperaturen in dieser Legierung auch zur mechanischen Zwillingsbildung, die eher bei Legierungen mit niedriger Stapelfehlerenergie erwartet wird. Dies ist darauf zurückzuführen, dass infolge der sehr starken Mischkristallverfestigung durch interstitiell gelösten Kohlenstoff (deren Wirkung bei sehr tiefen Temperaturen noch einmal ausgeprägter ist, als bei hohen Temperaturen) die kritische Spannung zur Aktivierung der mechanischen Zwillingsbildung trotz vergleichsweise hoher Stapelfehlerenergie erreicht werden kann. Dennoch bleiben die anderen charakteristischen Beiträge zur Verformung auch bei sehr tiefen Temperaturen weiterhin aktiv.

schulz

Aus unseren Vorarbeiten geht hervor, dass für die entstehenden eutektischen Gefüge in NiAl-(Cr,Mo)-Legierungen die Keimauswahl entscheidend ist und nicht das Keimwachstum (Gombola et al. in Metals 10 (2020) 961). Der Grund für die Bildung von lamellarer oder faseriger Morphologie konnten wir nun unserem Beitrag in Acta Materialia darstellen. Zum einen wird dabei die in der Literatur bestehende Mehrdeutigkeit bezüglich der Bildung kristallographischer Vorzugsorientierungen während der gerichteten Erstarrung aufgelöst und zum anderen die Abhängigkeit der Vorzugsorientierungen von der Zusammensetzung und der Wachstumsgeschwindigkeit diskutiert. Die Unabhängigkeit der Morphologie und der kristallographischer Vorzugsorientierungen konnte nachgewiesen werden. Gesteuert wird die Morphologie dagegen durch die Orientierungsbeziehung der beteiligten Phasen. Dies wurde durch das simultane Auftreten von Kolonien mit unterschiedlichen Orientierungsbeziehungen und unterschiedlichen Morphologien nachgewiesen.

kauffmann

Die Verformung der High Entropy Alloy CoCrFeMnNi bei Temperaturen unterhalb von 35 K erfolgt stark diskontinuierlich mit Spannungsabfällen von über 100 MPa und einer entsprechenden Dehnungsauslösung. Während extrinsische Gründe für dieses Phänomen weitgehend ausgeschlossen werden konnten, gibt es eine Reihe von versetzungsbasierten Modellen zur Erklärung dieses Phänomens. In unserer neusten Publikation mit dem IFW Dresden und dem ITEP des KIT stellen wir einen neuartigen Temperaturwechselversuch vor, der es erlaubt den Einfluss der temperaturabhängigen Quergleitung auf das Umgehen von sesshaften Lomer-Cottrell Versetzungen ohne störende Einflüsse durch das Unterbrechen des Versuchs und eines möglichen Aufheizens der Probe zu untersuchen.

Wir widmen diesen Artikel unserem Kollegen und Freund Prof. Dr.-Ing. Hans Jürgen Christ. Wir bedanken uns auf diesem Weg für unsere langjährige und erfolgreiche Zusammenarbeit in der Entwicklung von High Entropy Alloys für den Hochtemperatureinsatz.

wicht

In unserem neusten Beitrag in Acta Materialia zeigen wir anhand von skalenübergreifenden Simulationen, die am Institut für Technische Mechanik (ITM) entstanden, den Einfluss des Mesoaufbaus von zellularen NiAl-Refraktärmetall-Eutektika. Diese Art der Simulationen erlauben die Bewertung des Beitrages entarteter Bereiche, in denen die eutektischen Gefügebestandteile nicht optimal in Lastrichtung ausgerichtet sind. Es zeigt sich, dass der Anteil entsprechender Regionen größer ist als bisher angenommen und dass das effektive Kriechverhalten anhand des scheinbaren Kriechexponenten stark vom Aspektverhältnis der Kolonien abhängig ist. Die individuelle Manipulation solcher Parameter ist in experimentellen Studien ohne wesentliche Veränderung anderer Gefügeparameter möglich. Die beobachtete Abhängigkeit könnte einen wesentlichen Beitrag zu der starken Variation der in der Literatur berichteten Kriechexponenten solcher Werkstoffe darstellen. Darüber hinaus erlaubt die vorgestellte Simulation auch eine Bewertung der lokalen, heterogenen Dehnungsverteilung während der Kriechverformung. Diese ist eine relevante Fehlerquelle, die eine einfache, lineare Mischungsregel und auch das aufwändigere, analytische Kelly-Street-Modell nur sehr eingeschränkt für die Analyse des effektiven Kriechverhaltens zulässig machen.

inui

Der Materialwissenschaftler Prof. Dr. Haruyuki Inui von der Kyoto University (Japan) wurde im November 2021 mit dem Humboldt-Forschungspreis ausgezeichnet. Diese renommierte und mit 60.000 Euro dotierte Auszeichnung wird durch die Alexander von Humboldt-Stiftung jährlich an international anerkannte Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus dem Ausland zur Unterstützung von Kooperationsprojekten mit Forschenden in Deutschland verliehen.

Prof. Inui ist Experte auf dem Gebiet der intermetallischen Phasen, die bei der Entwicklung neuartiger Konstruktionswerkstoffe für extreme Umgebungsbedingungen, z.B. im Bereich von Verbrennungsprozessen, eine bedeutende Rolle spielen. Die grundlegenden Arbeiten aus Kyoto waren über Jahrzehnte richtungsweisend für die weltweite Forschung auf diesem Gebiet, die schließlich den kommerziellen Einsatz von Titan-Aluminid-Werkstoffen in Flugtriebwerken ermöglicht hat.

Wesentliches Thema seiner Forschungsarbeiten ist die experimentelle Untersuchung der Verformung metallischer und intermetallischer Werkstoffe von der Makro- bis hinunter zur Nanoskala. Dabei spannt er den Bogen von komplexen Eisen- und Kobaltbasis-Superlegierungen über neuartige intermetallische Phasen bis hin zu so genannten Hochentropielegierungen – diese sind derzeit in der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik ein „Hot Topic“, zu dem der Preisträger auch substantiell beigetragen hat.

Prof. Inui plant seinen mit dem Humboldt-Forschungspreis verbundenen Forschungsaufenthalt ab 2022 in Deutschland zu verbringen, wo er am KIT als Gast von Prof. Martin Heilmaier (Institut für Angewandte Materialien – Werkstoffkunde) sowie mit den engen Kooperationspartnern am Max-Planck-Institut für Eisenforschung Düsseldorf (Prof. Dierk Raabe), der Ruhr-Universität Bochum (Prof. Gunther Eggeler) und der Universität Bayreuth (Prof. Uwe Glatzel) zusammenarbeiten wird.

hinrichs

Um Entwicklungsprozesse für Pulver neuartiger Legierungen für die additive Fertigung beschleunigen zu können, stellen wir, in Zusammenarbeit mit der GfE Metalle und Materialien GmbH in Nürnberg, in dieser Arbeit vor, wie selbst für Refraktärmetalllegierungen sphärische Legierungspulver im Labormaßstab hergestellt werden können. Darüber hinaus zeigen wir die Möglichkeit zur Ausweitung der Herstellung entsprechend vielversprechender Legierungen auf industrielle Pulvermengen auf.

Durch Ultraschallverdüsung wurden an einer erst seit dem letzten Jahr bei uns im Haus verfügbaren Verdüsungsanlage Pulver einer Molybdänbasislegierung im Labormaßstab hergestellt und anschließend charakterisiert. Die neuartige, noch wenig verbreitete Ultraschallverdüsungsanlage liefert reproduzierbare Ergebnisse und erlaubt die Produktion von runden Pulverpartikeln mit enger Größenverteilung ohne die chemische Zusammensetzung der Ausgangslegierung zu verändern. Damit ist das Verfahren für ein schnelles und kostengünstiges Screening mit Legierungspulvern geeignet. Um von hochschmelzenden Legierungen mit hoher spröd-duktil-Übergangstemperatur Pulvermengen für pulverbettbasierte additive Fertigungsmethoden realisieren zu können, kommt darüber hinaus ein von unserer Industriepartnerin maßgeschneiderter, modifizierter Electrode Induction Gas Atomization (EIGA) Prozess zum Einsatz. Die Pulverpartikel beider Methoden wurden hinsichtlich ihrer Größenverteilungen, Sphärizitäten, Gefügen und chemischer Zusammensetzungen miteinander verglichen.

Foto Fabry

Dr.-Ing. Hans Chen wurde auf dem diesjährigen Festkolloquium der KIT-Fakultät Maschinenbau mit dem Manfred Hirschvogel Preis für die beste Dissertation der Fakultät ausgezeichnet. Seine Dissertation „Gefüge und Eigenschaften von äquiatomaren Legierungen aus dem System Ta-Nb-Mo-Cr-Ti-Al“ liefert wichtige und international beachtete Beiträge zur Herstellung, Charakterisierung und den Eigenschaften von neuartigen Al-haltigen, refraktärmetallbasierten High Entropy Alloys. Durch die Anwendung skalenübergreifender Charakterisierungsmethoden konnte Herr Dr.-Ing. Chen nachweisen, dass in der Tat in einem großen Konzentrationsbereich, chemisch homogene und einphasige Gefüge in solchen Legierungen eingestellt werden können. Im Gegensatz zu den Erwartungen in diesem neuen Themengebiet, konnte Herr Dr.-Ing. Chen das Auftreten langreichweitiger, kristallographischer Ordnung nachweisen, die sich negativ auf die Duktilität solcher Legierungen auswirkt. Er setzte dazu auf die Anwendung der thermischen Analyse, die im Vergleich zu beugungsbasierten Methoden einen Nachweis für Ordnungsphänomene liefert, auch wenn die konkrete Besetzung von Gitterpositionen das Auftreten von charakteristischen Beugungsmaxima verhindert. Darüber hinaus konnte er durch die Kombination von Druckversuchen und Nanoindentation den Einfluss der Gitterverzerrung auf die Mischkristallhärtung unter Beachtung der intrinsischen Temperaturabhängigkeit der Festigkeit in kubischraumzentrierten Legierungen aufzeigen. Seine Beiträge bilden weiterhin Grundlage für Forschung in unserer Abteilung und somit freut uns die Auszeichnung von Herrn Dr.-Ing. Chen außerordentlich. Der Manfred Hirschvogel Preis ist mit 5000 Euro dotiert.

seils

In dieser Veröffentlichung haben wir den Einfluss des Mn-Gehalts auf die mikrostrukturellen und mechanischen Eigenschaften pulvermetallurgischer oxidpartikelverstärkter (ODS-)Stähle untersucht. In unserer vorangegangenen Arbeit (Seils et al., Materials Science and Engineering A 786 (2020) 139452) haben wir gezeigt, dass der Beitrag der Versetzungshärtung zur Streckgrenze von austenitischen, Cr-Ni-basierten ODS-Stählen im Vergleich zu ferritischen ODS-Stählen während des Konsolidierens stärker sinkt. Nun zeigen wir, dass in Mn-haltigen ODS-Stählen, deren niedrigere Stapelfehlerenergie die Erholung und Rekristallisation während des Konsolidierens behindert, höhere Versetzungsdichten in austenitischen ODS-Stählen erreicht werden. Bei vergleichbarer Korngröße und Oxidpartikelgröße und -dichte wird dadurch eine höhere Streckgrenze erreicht.