Fundamental characterization of novel Mo-Si-B-Ti-alloys at ultra-high temperatures

• Applicants: Professor Dr.-Ing. Hans Jürgen Christ; Professor Dr.-Ing. Martin Heilmaier
• Subject Area: Metallurgical, Thermal and Thermomechanical Treatment of Materials ; Synthesis and Properties of Functional Materials ; Thermodynamics and Kinetics as well as Properties of Phases and Microstructure of Materials
• Term: from 2013 to 2017
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 236295902

• Final Report Year: 2017

Final Report Abstract

Im vorliegendem Projekt sollte durch die Hinzugabe von Fe zu Mo-Si-B-Ti Legierungen das Phasengebiet (Mo,Ti)Mk + (Mo,Ti)5Si3 + (Mo,Ti)5SiB2 stabilisiert und der Ti-Konzentrationsbereich für dessen Einstellung erweitert werden. Unterstützt wurde die Wahl der Legierungszusammensetzung dabei von thermodynamischen Berechnungen im Vorfeld der schmelzmetallurgischen Herstellung der Legierungen. Gleichzeitig sollten durch entsprechende Versuchsreihen die thermodynamischen Berechnungen validiert und das entstandene Gefüge beschrieben werden. Die Charakterisierung der relevanten Hochtemperatureigenschaften erfolgte im Rahmen des Vorhabens durch die Untersuchung des Oxidations- und Kriechverhaltens. Die thermodynamischen Berechnungen zeigten im untersuchten Konzentrations- und Wärmebehandlungsbereich eine gute Übereinstimmung mit den experimentell gebildeten Phasengleichgewichten aus (Mo,Ti)Mk, (Mo,Ti)5Si3 und (Mo,Ti)5SiB2 für beide verwendete Programme Pandat und FactSage mit ihren jeweiligen Datenbanken. Was beide Programme hingegen nicht vorhersagen, ist die zusätzliche Bildung der (Ti,Mo)5Si3-Phase bei der Erstarrung aus der Schmelze. Diese Phase bleibt auch bei nachfolgenden Wärmebehandlungen bis 1700°C entgegen den thermodynamischen Berechnungen stabil. Ein weiteres Ergebnis der Gefügeuntersuchungen ist der gefundene eutektoide Zerfall der (Mo,Ti)3Si-Phase bei hohen Temperaturen, was die Möglichkeit bietet, zweiphasige Legierungen aus (Mo,Ti)Mk und (Mo,Ti)5Si3-Phase herzustellen. Diese Legierungen verfügen nach einer geeigneten Wärmebehandlung über ein feines lamellares Gefüge. Der Oxidationswiderstand der untersuchten Legierungen im Phasengebiet (Mo,Ti)Mk + (Mo,Ti)5Si3 + (Mo,Ti)5SiB2 ist durch die Hinzugabe von Fe und der daraus resultierenden Stabilisierung der (Mo,Ti)5Si3-Phase tendenziell besser als für Mo-Si-B-Ti-Legierungen bestehend aus den Phasen (Mo,Ti)Mk, (Mo,Ti)3Si, (Mo,Ti)5SiB2 und (Ti,Mo)5Si3. Jedoch zeigt sich, dass bei Temperaturen unterhalb von 1000 °C der Oxidationswiderstand genau wie bei Ti-freien Mo-Si-B Legierungen nicht gegeben ist und damit alle drei- bzw. vierphasigen Legierungen katastrophale Massenverluste erfahren. Nur die zweiphasige Legierung bestehend aus (Mo,Ti)Mk und (Mo,Ti)5Si3 zeigt bei 820°C auch aufgrund ihrer feinen Mikrostruktur die Bildung einer passivierenden Oxidschutzschicht. Im Zuge des Projektes wurde ein Simulationsprogramm entwickelt, um das Oxidationsverhalten der experimentell untersuchten Legierungen zu berechnen und vorherzusagen. Es konnte gezeigt werden, dass dies für die Ti-freie Legierung Mo-9Si-8B sowohl im unbeschichteten Zustand, als auch mit einer bereits vorhandenen SiO2-Schicht möglich ist und gute Übereinstimmung mit den Experimenten besteht. Die Untersuchung des Kriechverhaltens führte zu der Erkenntnis, dass sich die Kriechverformung vornehmlich auf den Mo-Mischkristall konzentriert. Der geschwindigkeitsbestimmende Kriechmechanismus ist hierbei das Klettern von Versetzungen. Mit zunehmender Wärmebehandlungstemperatur zeigten die untersuchten Mo-Si-B-Ti-Fe-Legierungen eine Abnahme der minimalen Dehnraten und somit eine Zunahme des Kriechwiderstandes. Dies lässt sich auf eine Festigkeitssteigerung durch die (Ti,Mo)5Si3-Ausscheidungen im (Mo,Ti)Mk zurückführen. Im Vergleich zu konventionell eingesetzten Nickelbasissuperlegierungen zeigen alle untersuchten Mo-Si-B-Ti(-Fe)- Legierungen einen höheren Kriechwiderstand, sie liegen dichtenormiert auf dem Niveau der Ti-freien Mo-Si-B Legierungen.

Publications

• Effect of Ti (Macro-) Alloying on the High-Temperature Oxidation Behavior of Ternary Mo-Si-B Alloys at 820–1300°C; Oxidation of Metals 80 (2013), 231-242
  M. Azim, S. Burk, B. Gorr, H.-J. Christ, D. Schliephake, M. Heilmaier, R. Bornemann, P. H. Bolívar
  
• High Temperature Creep and Oxidation Behavior of Mo-Si-B Alloys with High Ti Contents; Metallurgical and Materials Transactions A 5 (2014), 1102-1111
  D. Schliephake, M. Azim, K. v. Klinski-Wetzel, B. Gorr, H.-J. Christ, H. Bei, E. P. George, M. Heilmaier
  
• High-Temperature Oxidation Behavior of Mo-Si-B-Based and Co-Re-Cr-Based Alloys; Intermetallics 48 (2014), 34-43
  B. Gorr, L. Wang, S. Burk, M. Azim, S. Majumdar, H.-J. Christ, D. Schliephake, M. Heilmaier
  
• Creep Resistance and Oxidation Behavior of Novel Mo-Si-B-Ti Alloys; JOM 67 (2015), 2621-2628
  M. A. Azim, D. Schliephake, C. Hochmuth, B. Gorr, H.-J. Christ, U. Glatzel, M. Heilmaier
  
• Thermogravimetrische Messung zur Hochtemperaturoxidation Molybdän-basierter Legierungen; DynTHERM Application Note 2 (2016)
  M. Azim, H.-J. Christ
  
• Vom Atom zum Bauteil – Beispiele für den Einsatz der Dualbeam-FIB-Technologie; Jahresmagazin Werkstofftechnik Juni (2016), 136-143
  M. Azim, D. Simon, A. Kolyshkin, B. Dönges, A. Grigorescu, H.-J. Christ
  
• Characterization of Oxidation Kinetics of Mo-Si-B-Based Materials; Oxidation of Metals 87 (2017), 89-108
  M. A. Azim, B. Gorr, H.-J. Christ, U. Glatzel, M. Heilmaier, U. Koch, C. Engelhard
  
• Effect of Ti Addition on the Thermal Expansion Anisotropy of Mo5Si3, Acta Materialia, 132 (2017) 25-34
  M. A. Azim, H.-J. Christ, B. Gorr, T. Kowald, O. Lenchuk, K. Albe, M. Heilmaier
  
• Effect of Ti Content and Nitrogen on the High-Temperature Oxidation Behavior of (Mo,Ti)5Si3; Intermetallics 90 (2017), 103-112
  M. A. Azim, B. Gorr, H. - J. Christ, O. Lenchuk, K. Albe, D. Schliephake, M. Heilmaier
  
• Enhanced Oxidation Resistance of Mo–Si–B–Ti Alloys by Pack Cementation; Oxidation of Metals (2017)
  D. Schliephake, C. Gombola, A. Kauffmann, M. Heilmaier, J. H. Perepezko