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Hoch-Entropie Legierungen als Hochtemperaturwerkstoffe? Mikrostruktur, mechanische Eigenschaften, Oxidations- und Korrosionsverhalten

Antragstellerinnen / Antragsteller Professor Dr.-Ing. Uwe Glatzel; Dr. Nelia Wanderka
Fachliche Zuordnung Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
Förderung Förderung von 2010 bis 2017
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 184114772
 
Erstellungsjahr 2016

Zusammenfassung der Projektergebnisse

In diesem Projekt wurden die Mikrostruktur, die mechanischen Eigenschaften und das Oxidationsverhalten von sieben Hochentropie-Legierungen auf Basis der Legierung AlCoCrCuFeNi untersucht. Diese sieben (AlCoCrCuFeNi, AlCoCrFeNi, Al23Co15Cr23Cu8Fe15- Ni16 (krz-Legierungen) und Al8Co17Cr17Cu8Fe17Ni33, Al8Co17Cr14Cu8Fe17Ni34.8Mo0.1Ti1W 0.1 und Al10Co25Cr8Fe15Ni36Ti6 (kfz-Legierungen) sowie die gemischte AlCoCuFeNi-Legierung) wurden aus 190 berechneten und 28 gegossenen Legierungen ausgewählt. Die Mikrostruktur wird durch eine Veränderung der Zusammensetzung optimiert, um die Eigenschaften der neuen Legierung zu verbessern, besonders hinsichtlich einer mechanischen Anwendung im Bereich 600-800°C. Die kfz-Legierung Al8Co17Cr17Cu8Fe17Ni33 (duktil und oxidationsbeständig) und die krz-Legierung Al23Co15Cr23Cu8Fe15Ni15 (hohe Druckfestigkeit, schlechte Oxidationsbeständigkeit) stehen beispielhaft für die zwei möglichen Stoßrichtungen, die ursprünglich gewählt wurden. Mit dem Wissen über diese Möglichkeiten wurde als optimierte Legierung Al10Co25Cr8Fe15Ni36Ti6 gefunden, welche die guten Eigenschaften der beiden beispielhaften Legierungen verbindet. Die Mikrostruktur der Al8Co17Cr17Cu8Fe17Ni33-Legierung weist einen kfz Mischkristall als Matrix und γ´-Ausscheidungen von ~ 20 nm Größe mit einem Volumenanteil < 20% auf. Im Gegensatz dazu ist die Matrix der Al23Co15Cr23Cu8Fe15Ni15 -Legierung eine B2 Phase als Matrix mit einem Volumenanteil von ca. 46% und krz Ausscheidungen mit einem Volumenanteil von ca. 43%. Die Phasen wurden mit Hilfe der Software Thermo-Calc berechnet und stimmen gut mit den experimentell bestimmten Phasen in den Mikrostrukturen der beiden Legierungen überein. Die Mikrostruktur spielt eine wichtige Rolle für die mechanischen Eigenschaften der Legierungen. Die Bildung des kfz Mischkristalls als Hauptphase in der Al8Co17Cr17Cu8Fe17Ni33-Legierung verbessert die Duktilität und reduziert die Festigkeit. Sowohl Festigkeit als auch Duktilität nehmen bei 500°C ab. Die Homogenisierung der Al8Co17Cr17Cu8Fe17Ni33-Legierung bei 1150°C/5 h verbessert die Duktilität und verringert die Festigkeit. Aufgrund des spröden Verhaltens der Al23Co15Cr23Cu8Fe15Ni15-Legierung konnten keine Zugproben hergestellt werden, sondern nur Druckproben. Die Al23Co15Cr23Cu8Fe15Ni15- Legierung zeigt die höchste Druckfestigkeit aller Proben: bei RT ist Rp0,2 = 1200 MPa mit einer Bruchdehnung A = 2,0%. Die Zugeigenschaften von der finalen Al10Co25Cr8Fe15Ni36Ti6- Legierung schließlich sind vergleichbar mit kommerziellen Superlegierungen und liegen zwischen Inconel 617 und Inconel 707. Die drei auf Oxidation untersuchten Legierungen (AlCoCrCuFeNi, Al8Co17Cr17Cu8Fe17Ni33 und Al23Co15Cr23Cu8Fe15Ni15) zeigen eine geringe Massezunahme durch den Oxidationsprozess an Luft bei 800°C für 200 h und folgen einer parabolischen Oxidationskinetik. Aber bei hoher Temperatur, 1000°C, zeigt nur die Al8Co17Cr17Cu8Fe17Ni33- Legierung eine gute Oxidationsbeständigkeit. Die dreigeteilte Oxidschicht der Al8Co17Cr17Cu8Fe17Ni33-Legierung besteht aus Fe- und Ni-Oxid als äußere Schicht, Cr-Oxid als mittlere Schicht und Al-Oxid als innere Schicht. Diese ist die beste Variante, als Schutz zeigen gegen Oxidation bei hohen Temperaturen. Die finale Al10Co25Cr8Fe15Ni36Ti6-Legierung weist eine Ti-Oxid reiche Oxidschicht auf, deren Einfluss noch geklärt werden muss. Als besonders interessant erwies sich, dass der in der Literatur angestrebte einphasige Mischkristall als unzulänglich erwies. Die klassischen Konzepte der zweiphasigen Morphologie greifen auch bei dieser neuen Legierungsart.

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