Physikalische Metallkunde
Leiter der Abteilung
Wissenschaftliche Mitarbeitende
Dr.-Ing. Daniel Schliephake (Leiter der Materialographie)
Dr. rer. nat. Sandipan Sen
Dr.-Ing. Frauke Hinrichs
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)
Compositionally 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 MaterialsThere is a burgeoning commercial demand for materials that can withstand elevated temperatures without sacrificing strength and ductility. The present work deals with the development of a novel high-temperature Mo-20Si-52.8Ti (at. %) ternary alloy via directional solidification (DS) using modified Bridgeman type apparatus. The microstructure consisted of a body-centered cubic solid solution BCCss and a hexagonal silicide (Ti,Mo)5Si3 phase with approximate volume fractions of 50%. The phases exhibit a crystallographic orientation relationship as (123)BCC || (0001)(Ti,Mo)5Si3 and [111]BCC || [1120](Ti,Mo)5Si3. Mechanical analysis demonstrates that plasticity is primarily accommodated by the BCCss phase through dislocation mediation, while the silicide phase acts as a site for crack initiation. Interestingly, crack propagation is impeded and redirected at the interface at the BCCss phase. Furthermore, the indentation fracture toughness of the silicide phase is observed to be 3.7 MPa√m, slightly higher than reported values for Nb, Mo, and Cr-based silicides at room temperature. The increased microstructural length scale resulting from directional solidification confers intrinsic advantages, notably enhanced fracture toughness of the alloy. Consequently, this study paves the way for the development of ductile-phase toughened intermetallic, offering new prospects for the design of advanced intermetallics with superior toughness characteristics.
to Advanced Engineering MaterialsWe congratulate Frauke Hinrichs on successfully defending her doctoral thesis. She was awarded the doctorate for her thesis on “Microstructure and Oxidation Resistance of single-phase and multi-phase Cr-Mo-Si Alloys”. In the framework of the RTG2561 funded by DFG, she contributed to our work on the development of refractory element based alloys for potential high temperature application.
She implemented for the first time the powder synthesis of high Mo containing alloys on lab by ultrasonic atomization and presented the successful industrial upscale in collaboration with industry:
https://doi.org/10.3390/met11111723
The major scope of her thesis work was the transfer of the alloy principle of pesting resistant Mo-Si-Ti to Cr containing Mo-Si alloys. She successfully transferred the alloy design to a novel alloy from the ternary Cr-Mo-Si system, incl. similar volume fractions of solid solution and silicide:
https://doi.org/10.1016/j.corsci.2022.110566
This alloy turned out being resistant against the catastrophic oxidation of most high Mo alloys (pesting) but also resistant against problems characteristic of Cr based alloys like nitridation.
In the final period of her thesis, Frauke focused on the oxidation resistance and mechanical properties of monolithic solid solutions derived from her previous investigations. These refractory solid solutions do not only exhibit an outstanding oxidation resistance but also significant ductility:
https://doi.org/10.5445/IR/1000166092
We wish Frauke all the best for her further career and look forward to discoveries in the field of materials science and engineering in the future.
Digitalisierung 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.