Physikalische Metallkunde
Leiter der Abteilung
Wissenschaftliche Mitarbeitende
Dr.-Ing. Daniel Schliephake (Leiter der Materialographie)
Dr. rer. nat. Sandipan Sen
Raja Jothi Vikram, PhD (Alexander v. Humboldt Stipendiat)
M.Sc. Georg Winkens
M.Sc. Marcel Münch (LGF-Stipendiat; aktuell Kyoto University, Prof. Tsuji's Laboratory)
M.Sc. Liu Yang (CSC-Stipendiatin)
M.Sc. Gabriely Falcão
M.Eng. Jan Lars Riedel (zusammen mit Schwingfestigkeit)
M.Sc. Sri Rathinamani Ramdoss
M.Sc. Amin Radi
unterstützt wird unsere Arbeit von unseren APT-Kollegen der KNMF:
Dr. Torben Boll
Dr. Pamela M. Pineda Dominguez
M.Sc. Michael Eusterholz
Kernkompetenz
In der Abteilung Physikalischen Metallkunde werden metallische und intermetallische Werkstoffe für extreme Bedingungen auf Grundlage metallphysikalischer Methoden und Mechanismen untersucht und entwickelt. Die Ermittlung passender Legierungszusammensetzungen und die Einstellung von Zielgefügen ist dabei zentraler Aspekt unserer Arbeit.
Spezieller Fokus liegt dabei auf Materialien zur Steigerung der Effizienz von Maschinen mit hohen Betriebstemperaturen. Dabei sind eine gute Hochtemperaturfestigkeit und Kriechbeständigkeit sowie eine hohe Oxidationsstabilität kombiniert mit ausreichender Bruchzähigkeit bei niedrigen Temperaturen zentrale Entwicklungsziele. Darüber hinaus haben sich weitere extreme Belastungsszenarien etabliert, wie zum Beispiel extrem tiefe Verformungstemperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt.
Allen Forschungsarbeiten ist dabei die Aufklärung der grundlegenden Mechanismen der Phänomene, deren Beziehung zu resultierenden Werkstoffeigenschaften sowie deren gezielte Nutzung zur Eigenschaftseinstellung gemein. Um dies zu erreichen, stehen uns vielfältige Methoden der Werkstoffsynthese und skalenübergreifenden Werkstoffcharakterisierung zur Verfügung.
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 stehen neben einer gut ausgerüsteten Materialographie 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)
We congratulate Georg Winkens on the successful defense of his doctoral thesis. He was awarded the doctorate for his work on “Solid solution strengthening in single-phase Mo alloys”. In the framework of the RTG2561 funded by DFG, he contributed to improved understanding of the strengthening contributions by different dislocation types in refractory solid solutions.
He successfully implemented the recently developed models by Maresca and Curtin for the use within our research groups and the alloy development of the RTG. By the experimental synthesis of binary model alloys, he was able to test these modern models against others as well as to investigate the potential change of strengthening contributions by screw and edge dislocations depending on alloy composition:
https://doi.org/10.1038/s43246-023-00353-8
Apart from the Mo based solid solutions subject to the RTG, he contributed to the application of the respective models to refractory high entropy alloys from the Ta-Mo-Ti-Cr-Al system. These recent results were published in the RTG special issue in Advanced Engineering Materials:
https://doi.org/10.1002/adem.202301797
You may also see Georg's open access publications of research data and program codes on KIT's repository to improve the accessibility of our research results:
https://doi.org/10.35097/1784
https://doi.org/10.35097/1866
https://doi.org/10.35097/1786
https://doi.org/10.5445/IR/1000157208
https://doi.org/10.5445/IR/1000157205
We wish Georg all the best for his further career and look forward to discoveries in the field of physical metallurgy in the future.
The development and investigation of novel Mo-Si-Ti alloys has been one of our core competencies in recent years. These alloys are potential candidates for high temperature applications due to their balanced property portfolio of high temperature strength, oxidation resistance and lightweight potential. In our most recent study, we investigated the creep deformation mechanisms of a eutectic Mo-Si-Ti alloy together with our colleagues from Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Laboratory for Electron Microscopy #LEM. In contrast to earlier investigations, we found that creep at 1200 °C can be divided into two regimes dominated by (i) diffusion creep below 100 MPa and (ii) dislocation climb controlled creep at and above 100 MPa. An attempt has been made to correlate the microstructural changes occurring at different microstructural length scales with the nature of the creep curve at 1200 °C and 100 MPa. The creep curve shows a transient strain hardening region followed by a distinct minimum and then acceleration of the creep rate. Microstructural investigations using TEM revealed the formation of a high proportion of disperse (Ti,Mo)5Si3 precipitates in the solid solution, which led to significant strengthening in the transient creep regime. By simultaneously decreasing the initially high dislocation density in the solid solution, the diffusion creep contribution becomes more dominant to the effective creep behavior. At a minimum, the load and strain are also carried by the silicide phase, which undergoes plastic deformation. Continuous coarsening of precipitates and loss of precipitation strengthening in the solid solution and dynamic recovery in the silicide phase led to creep acceleration at strains above the minimum creep rate.
to Advanced Engineering MaterialsCompositionally complex alloys based on refractory metals (RCCA) are candidate alloys for future high-temperature applications. If Al is included in these alloys to reduce the density or to achieve oxidation resistance, long-range ordering often occurs. In our latest publication, we were able to show that this contributes significantly to the high yield strength. By combining macroscopic compression testing and nanoindentation measurements by our colleagues of IAM-MMI, we characterized alloys in the Mo-Cr-Ti-Al system over a large temperature range. Once a threshold of Al concentration is surpassed, the system crystallizes in the ordered B2 instead of the disordered A2 crystal structure, and a significant increase in yield strength of about 300 MPa and nanohardness was observed.
Mechanical testing on both length scales as well as chemical and structural investigations precluded the impact of several strengthening mechanisms that could explain this jump. Using state-of-the art modelling of solid solution strengthening in the complex A2 alloys, we were also able to prove that the increase in Al content cannot account for the observed jump. This leaves order strengthening as the only remaining mechanism to explain the increase in strength.
With order strengthening as now-proven relevant strengthening mechanism in RCCA, new alloy design possibilities open up to tailor alloy compositions for specific application profiles. Furthermore, the distinct modeling of strength of compositionally complex B2 alloys is not yet available.
to Advanced Engineering MaterialsDigitalisierung und Forschungsdatenmanagement
Um die zunehmende Komplexität der Werkstoffentwicklung nachvollziehbar abzubilden und die Möglichkeiten der Werkstoffcharakterisierung optimal zu nutzen, werden unsere gesamten Forschungsaktivitäten innerhalb von kadi4mat digital erfasst.
Unser Fokus liegt dabei darauf, Syntheseabläufe mit einer Vielzahl von Rohmaterialchargen und Prozessschritten detailliert zu dokumentieren sowie die Charakterisierungsschritte in einem einheitlich Schema zu erfassen. Wir konzentrieren uns dabei auf die bisher als relevant bekannten Metadaten zu beiden Aspekten. Durch wesentlich Beiträge von Daniel Schliephake, Georg Winkens, Marcel Münch und Stephan Laube konnten folgende für die Physikalische Metallkunde Kategorien etabliert werden:
- Allgemeine Forschung
- Synthese
- Prozessierung
- Präparation
- Analyse
- Werkstoffprüfung
- Kalibrierung
Darüber hinaus stellen wir die Ergebnisse unserer Arbeiten im Rahmen von Forschungsdatensätzen zu unseren Publikationen frei zur Verfügung. Sollten die Daten nicht frei zur Verfügung stehen, können Sie bei uns angefragt werden.