dyck

Analytische Beschreibungen sind wichtiger Bestandteil experimenteller Studien zur einfachen und schnellen Überprüfung scheinbarer mikroskopischer Mechanismen. Dennoch werden viele der zur Verfügung stehenden Modelle oft außerhalb ihrer Grenzen und Gültigkeitsbereiche verwendet. In unserer neuesten Studie mit dem Institut für Technische Mechanik des KIT beschäftigen wir uns mit dem oft verwendeten Kelly-Street-Modell zur Beschreibung des effektiven Kriechverhaltens eines faserförmigen Verbundes. Wir schlagen hierbei eine modifizierte Faseranordnung und eine Verbesserung hinsichtlich der Lastübertragung zwischen Faser und Matrix in Lastrichtung vor, die nachweislich die Anwendungsgrenzen des Modells und die Abbildung der effektiven stationären Kriechrate verbessert. Um diesen Nachweis zu führen setzen wir die modernen FFT-basierten Simulationen des ITM ein.

laube

Legierungen mit komplexer Zusammensetzung (CCA) auf Refraktärmetallbasis sind vielversprechende Kandidaten für Konstruktionswerkstoffe in Hochtemperaturanwendungen. Viele der bisher untersuchten Legierungen haben bei Raumtemperatur eine geringe plastische Verformbarkeit, was eine Anwendungsmöglichkeit einschränkt. Dies konnte auf eine Kombination aus unerwünschten (intermetallischen) Phasen mit geordneten Kristallstrukturen der Matrix zurückgeführt werden (Laube et al. in Acta Materialia 218 (2021) 117217).

In unserer aktuellen Studie wurde eine Legierung hinsichtlich der folgenden Punkte detaillierter untersucht: (i) der Phasenseparation und (ii) des Ausscheidungswachstum und -vergröberung sowie (iii) des Einflusses der Ausscheidungen auf die Härte. In Zusammenarbeit mit den Arbeitsgruppen von Prof. H.-J. Christ an der Universität Siegen sowie von Prof. Y. Eggeler und Prof. C. Greiner konnte die Phasenseparation auf verschiedenen Zeit- und Längenskalen untersucht werden. Die Phasenumwandlung zur Ausscheidungsbildung ist hierbei eine diffusionsgesteuerte, diskontinuierliche Phasenumwandlung mit scharfen, bewegten Grenzflächen. Somit liegt nicht, wie in anderen CCA vermutet, eine spinodale Entmischung vor.

Im untersuchten Temperaturbereich von 800 bis 1000 °C zeigte das Gefüge eine geringe Tendenz zum Wachstum bzw. Vergröberung, was positiv für eine mögliche Anwendung unter Kriechbelastung ist. Eine Korrelation der Festigkeit zum Ausscheidungsabstand und Volumenanteil konnte beobachtet werden und zeigte, dass sich bei 800 °C die höchsten Festigkeiten erzielen lassen.

tirunilai

Die in unserer Gruppe entwickelten Mo-Si-Ti-Legierungen, unter anderen die eutektische Mo-20Si-52.8Ti (at%), zeigen teilweise eine herausragende Oxidationsbeständigkeit mit mittleren und hohen Temperaturen bei gleichzeitig niedriger Dichte. Unsere aktuelle Studie widmet sich zentralen, technischen Aspekten einer Anwendung hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften. Zur weiteren Stärkung des Verständisses der Materialeigenschaften wurden erstmals (i) detailierte 3D-basierte Gefügeanalysen in Zusammenarbeit mit der Kollegen der Universität des Saarlandes durchgeführt, um die bisher nicht vollständig beschriebene Verteilung der beiden Phasen in Mo-20Si-52.8Ti aufzuklären. In einem zweiten und dritten Schritt wurden (ii) die Spröd-Duktil-Übergangstemperatur (BDTT) durch Biegeversuche und (iii) die Hochtemperatur-Kriecheigenschaften erstmals auch unter Zugbelastung erfasst und den bereits bekannten Daten zur Druckbelastung gegenübergestellt.

Die Studie belegt, dass beide Phasen, der Mo-Mischkristall (Mo_SS) und das Silizid (Ti,Mo)₅Si₃, ähnliche Mikrostrukturgrößen, Phasenverteilungen und -anteile im Gefüge besitzen. Beide Phasen liegen interpenetrierend vor. Die Biegeversuche zeigen eine BDTT von 1100-1150 °C, was als direkte Folge der 3D-Anordnung der Phasen zu interpretieren ist. Der duktile Mischkristall hat dabei signifikante Auswirkungen auf den Rissfortschritt bei hohen Temperaturen. Die im anwendungsrelevanten Belastungmodus erhaltenen Kriechdaten und die beobachteten Gefügeveränderungen während der Kriechbelastung bestätigen die bereits zuvor berichteten Trends hinsichtlich des Kriechverhaltens (Schliephake et al. Intermetallics 104 (2019) 133). Die in deutlich größerem Umfang vorliegenden Druckkriechergebnisse lassen sich daher auf den konkreten Belastungsfall einer Anwendung übertragen.

hinrichs

Die Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit von refraktärmetallbasierten Legierungen sowie das detaillierte Verständnis von Oxidationsschutzmechanismen im Temperaturbereich unter 1000 °C spielen weiterhin eine zentrale Rolle in unseren Forschungstätigkeiten. In unserer aktuellen Publikation mit Dechema FI and LEM im Rahmen des Graduiertenkollegs 2561 stellen wir eine neuartige Legierung im System Cr-Si-Mo hinsichtlich ihrer Oxidationbeständigkeit zwischen 800 und 1200 °C vor. Cr verspricht die Bildung einer passivierenden Cr₂O₃-Schicht. Si erhöht potentiell den Oxidationswiderstand von Cr Legierungen weiter, während Mo die Solidustemperatur der Legierung und dadurch möglicherweise den Kriechwiderstand positiv beeinflusst.

Die Legierung wurde in einem Lichtbogenschmelzverfahren hergestellt und erstarrt monolithisch zu einer intermetallischen Verbindung. Durch eine Wärmebehandlung wurde eine Zerfallsreaktion in ein feinstreifiges, zweiphasiges Gefüge herbeigeführt. Zyklische Oxidationsversuche zeigten, dass die Legierung bei 800 °C einen außergewöhnlich hohen Oxidationswiederstand durch die Bildung einer dichten, kontinuierlichen Cr₂O₃-Schicht besitzt. Schichtabplatzung, Nitrierung oder die Abdampfung flüchtiger Oxide, wie oft bei Cr- und Mo- Legierungen beobachtet, treten nicht auf. Selbst bei 1100 °C findet noch ein parabolisches Schichtwachstum, ohne Verluste durch Abdampfung statt und erst bei 1200 °C tritt signifikante innere Oxidation auf. Die guten Oxidationseigenschaften werden u.A. auf die homogene Verteilung von Cr zwischen den beteiligten Phasen zurückgeführt. Der Widerstand gegen Nitrierung wird durch die Bildung eines Mo-reichen Bereichs unterhalb der Cr₂O₃ Schicht erklärt.

Die meisten ultra-feinkörnigen Al-Legierungen zeigen aufgrund ihrer sehr hohen Stapelfehlerenergie nur ein sehr begrenztes Vermögen zur Kaltverfestigung. So verhält es sich auch mit additiv hergestellten ausscheidungsverfestigten Al-Mn-Mg-Sc-Zr Legierungen, die wir gemeinsam mit unseren Kollegen der Monash Universität untersuchen. Im Zuge unserer Untersuchungen zum Ausscheidungsverhalten dieser Legierung nach zusätzlichem Rundkneten am IFW Dresden konnten wir nicht nur beschleunigte Ausscheidungsbildung und -wachstum durch die hohe Defektdichte feststellen sondern auch die Steigerung der Kaltverfestigung im Zugversuch. Letztere zeigt sich nach einer geeigneten Wärmebehandlung, welche im Gegensatz zur additiv hergestellten Legierung zusätzlich zu einer deutlichen Zunahme der Gleichmaßdehnung bei nahezu gleichbleibender Festigkeit führt. Als Ursache wurde die Änderung der Wechselwirkung zwischen Ausscheidungsteilchen und Versetzungen vom Schneiden der Ausscheidungen hin zum Umgehen identifiziert und soll im weiteren Verlauf unserer Forschung durch entsprechende Charakterisierungsmethoden verifiziert werden.

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.