Gerichtete Erstarrung mehrphasiger metallischer Hochtemperaturwerkstoffe jenseits der Nickelbasissuperlegierungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Martin Heilmaier
• Fachliche Zuordnung: Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 171451837

• Erstellungsjahr: 2019

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Das Vorhaben beschäftigte sich mit der Entwicklung neuartiger, eutektischer bzw. eutektoider Hochtemperaturwerkstoffe in den Systemen Nb-Si-Cr(-V) und Mo-Si-Ti sowie der Charakterisierung der mechanischen und oxidativen Eigenschaften in Abhängigkeit verschiedener Herstellungsverfahren. Zunächst wurde das ternäre Eutektikum im System Nb-Si-Cr experimentell bestimmt und hinsichtlich seiner Phasenentwicklung und -stabilität charakterisiert. Das ternäre Eutektikum liegt bei Nb-10,9Si- 28,4Cr (At.%) und ist aus Nb-Mischkristall, der Lavesphase Cr2Nb und der Silizidphase Nb9(Si,Cr)5 aufgebaut. Dabei wachsen Nb-Mischkristall und Cr2Nb gekoppelt, während die Silizidphase eine diskontinuierliche Matrix bildet. Letztere unterliegt bei ausreichend langer Wärmebehandlung oberhalb 1300 °C einer Festkörperumwandlung, bei der u.a. α-Nb5Si3 entsteht. Bis 1200 °C und 500 h ist das Gefüge hingegen stabil. Als vorherrschender Kriechmechanismus für Temperaturen bis 1350 °C und wahren Spannungen bis 250 MPa konnte Versetzungskriechen identifiziert werden, was durch die lokale Texturausprägung und transmissionselektronenmikroskopische Aufnahmen bestätigt werden konnte. Dies ist auch für die naheutektische Referenzlegierung Nb-8,7Si-33,1Cr der Fall. Gerichtete Erstarrung hat auf Grund fehlender kristallografischer Texturausbildung und vergleichbarer Phasenanteile einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Kriechbeständigkeit der Referenzlegierung. Die geringe Bruchzähigkeit des ternären Eutektikums lässt sich anhand einer gröberen Gefügemorphologie und eines höheren Anteils spröder Silizidphasen und Lavesphase erklären. Durch die Bildung des Mischoxids CrNbO4 kann die Oxidationsbeständigkeit signifikant gegenüber anderen Nb-Basislegierungen, die unter Bildung von mehrheitlich Nb2O5 oxidieren, erhöht werden. Da Literaturergebnisse auf eine Verbesserung des Oxidationsverhaltens von Nb-Si-Legierungen durch V-Zusätze hinweisen, wurde eine entsprechend modifizierte Nb-10,9Si-28,4Cr- 4,9V hergestellt und hinsichtlich ihrer Eigenschaften untersucht. Durch den V-Zusatz wird das Gefüge gegenüber der ternär eutektischen Legierung signifikant verändert. Der Kriechwiderstand liegt etwa eine Größenordnung unterhalb der ternären Legierungsvariante und ein verbessertes Oxidationsverhalten kann lediglich bei 800 °C unter isothermen Bedingungen beobachtet werden. Im System Mo-Si-Ti wurden eine eutektische Legierung Mo-20,0Si-52,8Ti aus Mo-Mischkristall und Ti5Si3 sowie eine eutektoid zerfallende Legierung Mo45-Si21-Ti34 aus Mo-Mischkristall und (überwiegend) Mo5Si3 untersucht. Die eutektische Legierung zeichnet sich durch eine ausgezeichnete Stabilität gegenüber katastrophaler Oxidation bei 800 °C an Luft sowie durch eine niedrige Dichte von lediglich 6,2 g/cm³ gegenüber anderen in der Literatur eingehend untersuchten Mo-Si-B-Legierungen aus. Die Mo-reichere Legierung mit einer Dichte von immer noch lediglich 7,0 g/cm³ kann durch eine Wärmebehandlung bei 1300 °C/200 h vollständig eutektoid umgewandelt werden. Sie neigt zwar wie andere Legierungen mit hohem Anteil an Mo-Mischkristall zu katastrophaler Oxidation bei 800 °C, allerdings bietet sie eine - auch im Vergleich zu anderen Mo-Basislegierungen - sehr gute Kriechstabilität. Die gerichtete Erstarrung beider Legierungen erwies sich als technologisch herausfordernd, da im Fall der eutektischen Legierung das notwendige Erstarrungsintervall durch die apparateseitig bisher zur Verfügung stehenden Temperaturgradienten noch nicht überbrückt werden kann bzw. im Fall der eutektoiden Legierung aktuell genügend große Halbzeuge zur gerichteten Erstarrung nur pulvermetallurgisch hergestellt werden können und somit erhöhte Verunreinigungsgehalte enthalten.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• “Influence of Directional Solidification on the Creep Properties of a Binary NbSi Eutectic Alloy”. JOM 66 (2014), 1908-1913
  Gang, F.; Heilmaier, M.
  
• “Influence of Vanadium on the Oxidation Resistance of the Intermetallic Phase Nb5Si3”. Oxidation of Metals 83 (2015), 119-132
  Gang, F.; v. Klinski-Wetzel, K.; Wagner, J.N.; Heilmaier, M.
  
• (2016). Mechanische und oxidative Eigenschaften eutektischer Nb-Si-Cr-Legierungen. Dissertation. Karlsruhe
  Gang, F.
  
• (2017). Creep and oxidation behavior of eutectic and eutectoid microstructures in Molybdenum-Silicon-Titanium alloys. Dissertation, Karlsruhe
  Cong, X.
  
• “Phase Evolution in and Creep Properties of Nb-Rich Nb-Si-Cr Eutectics.” Metallurgical and materials transactions A49 (2018) 763-771
  Gang, F.; Kauffmann, A.; Heilmaier, M.
  
• “Constitution, oxidation and creep of eutectic and eutectoid Mo-Si-Ti alloys.” Intermetallics 104 (2019) 133-142
  Schliephake, D.; Kauffmann, A.; Cong, X.; Gombola, C.; Azim, M.; Gorr, B.; Christ, H.-J.; Heilmaier, M.