Wärmebehandelbare Chrombasislegierungen für extreme Temperaturen

• Antragsteller: Privatdozent Dr.-Ing. Mathias Galetz; Professor Dr.-Ing. Uwe Glatzel
• Fachliche Zuordnung: Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 287397384

Ausscheidungsverfestigende und wärmebehandelbare Cr-Si-Ge-Legierungen mit einem Chrom-Gehalt > 90 at.% grundlegend sollen untersucht werden. Sie überschreiten eine Löslichkeitsgrenze bei hohen Temperaturen und damit lasseneine gezielte Wärmebehandlung zur Einstellung der Mikrostrukturzu. Dieses Ausscheidungsgefüge bestehend aus einer Chrommischkristallmatrix und intermetallischer A15-Phase muss hinsichtlich Mikrostruktur, Ausscheidungsverhalten der A15-Phase in Relation zur Matrix (Matrix/Ausscheidungsgrenzflächen) sowie ihren Eigenschaften (insbesondere Kriechen und Oxidation) untersucht werden. Ein Schwerpunkt liegt auf der Untersuchung der Wärmebehandlungsparameter, um die Ausscheidung der A15-Phase im Mischkristall zu kontrollieren und gezielt einzustellen. So soll der Volumenanteil der Ausscheidungen im Mischkristall maximiert werden, um möglichst gute Eigenschaften zu erzielen. In einem weiteren Schritt soll die Legierungsfähigkeit des Systems Cr-Ge-Si evaluiert werden; dabei werden zwei grundlegende Ansätze untersucht. Der erste ist die Zugabe eines Elements, das sowohl zur Mischkristallhärtung beträgt als auch Cr in der A15-Phase substituiert. Molybdän bietet sich an, da die Legierungsfähigkeit bereits für reines Chrom beschrieben ist, ebenso wie für modifizierte Cr3Si-Phasen. Mo ist mit Cr bis zu 9 at.% im gesamten Temperaturbereich bis zur Schmelze komplett mischbar. Zulegierung von bis zu 0,2 at.% Mo verbesserte die Kriechrate von reinem Chrom um bis zu eine Größenordnung und führte zu signifikanter Erhöhung der Duktilität bei Raumtemperatur. Weiterhin wurde gezeigt, dass sich bei Cr3Si durch Mo-Zulegierung (bis zu 30 at.%) die Oxidationsfestigkeit über einen weiten Temperaturbereich verbessert, indem die Schutzwirkung von SiO2 erhöht wird. Auch hinsichtlich der Oxidation ist Molybdän interessant, da es im Vergleich zu Chrom deutlich stärker flüchtige Oxide bildet und damit während der Oxidation durch Verdampfung lokal die Silizium- bzw. Germaniumaktivität erhöhen kann. Das ist zu untersuchen. Der zweite Ansatz ist die Zugabe eines Elements, das ein A15-Bildner ist, sowohl Si wie Cr substituieren kann und eine hohe Temperaturabhängigkeit der Löslichkeit im Chrommischkristall aufweist. Das Cr-Pt-System zeigt eine analoge binäre Zusammensetzung wie Cr-Si und Cr-Ge-Systeme mit der Bildung einer Mischkristallphase und einer A15-Cr3Pt-Phase, und das System besitzt die geforderte steile Solvus-Linie im chromreichen Teil. Es ist zu prüfen, inwieweit die A15-Ausscheidungen mischbar sind und deren Volumenanteil durch Beigabe von Platin gesteigert und eventuell stabilisiert werden kann, wofür u.a. eine eingehende Studie der Grenzfläche zwischen Ausscheidung und Matrix nötig ist.Später könnten die Legierungen direkt oder nach weiterer Verstärkung z.B. durch Oxidpartikel in Turbinen oder Bauteilen für die chemische Industrie wie Brennern ein Einsatzgebiet finden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen