Integratives Design von neuartigen Mo-Si-Legierungen und Schutzschichten für Hochtemperaturanwendungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Hans Jürgen Christ, seit 8/2021; Professor Dr.-Ing. Martin Heilmaier; Professor Dr. Uwe Schulz
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik ; Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen ; Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 386184182

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Mo-Silizid basierte Legierungen mit hohem Ti-Gehalt stellen neue vielversprechende Werkstoffe für Hochtemperaturanwendungen dar. Diese mehrphasigen Verbundwerkstoffe sind kriechbeständiger als einkristalline Ni-Basissuperlegierungen und weisen einen guten Oxidationswiderstand bei hohen Temperaturen auf, jedoch zeigen sie meist Katastrophale Oxidation (bzw. „Pesting“) bei moderaten Temperaturen. Im Rahmen des Vorhabens wurde ein ganzheitliches Materialsystem bestehend aus Substratwerkstoffen mit Schutzschichten für neuartige Mo-basierte Legierungen für den Einsatz bei bis zu 1200 °C entwickelt. Das übergeordnete Ziel dieses Vorhabens war weiterhin die Schaffung der wissenschaftlichen Grundlagen für die Entwicklung einer technisch einsetzbaren Mo-Si(-B)-Ti-Legierung mitsamt einem Beschichtungssystem, das in einem breiten Temperaturbereich von 600 bis 1300°C sowohl in trockenen als auch in feuchten Atmosphären einen dauerhaften Schutz bieten kann. Von einer Vielzahl wichtiger wissenschaftlicher Erkenntnisse sollen die folgenden hervorgehoben werden: (1) Die Verwendung von B und Fe ist auf Basis der gewonnenen Ergebnisse nicht notwendig, was eine Vereinfachung des Legierungssystems ermöglicht. (2) Durch die systematische Variation des Ti-Gehaltes konnten Ti-Konzentrationen ermittelt werden, welche die Einstellung eutektisch-eutektoider Mischgefüge erlaubt, die sowohl bei 800 °C eine Beständigkeit gegenüber katastrophaler Oxidation besitzen als auch gleichzeitig sehr gute Kriechbeständigkeit bis mindestens 1200°C aufweisen. (3) Die damit verbundenen hohen Ti-Gehalte führen zu Legierungsdichten zwischen 6,2 und 7,7 g/cm³, die technisch äußerst attraktiv sind. (4) Das Aufbringen von Schutzschichten wie Si, YbDS, YbMS verbessert das Oxidationsverhalten in trockenen und feuchten Atmosphären signifikant. Yb-silikate sind durch Reativsputtern herstellbar. (5) Unterschiede im Oxidationsverhalten zwischen den Legierungen sind hauptsächlich auf unterschiedliche Ti-Gehalte zurückzuführen. (6) Die entwickelten Schichtsysteme schützen die Legierungen vor Pestverhalten und sind hochtemperaturbeständig.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Characterisation of the oxidation and creep behaviour of novel Mo-Si-Ti alloys, Intermetallics, Bad Staffelstein, Deutschland
  S. Obert; L. Alavi; A. Kauffmann & M. Heilmaier
  
• Charakterisierung von neuen, feinstrukturierten Mo-Si-Ti Legierungen für den Hochtemperatureinsatz, DGM Fachausschusssitzung Intermetallische Phasen, Hanau, Deutschland (2019)
  S. Obert, L. Alavi, A. Kauffmann & M. Heilmaier
  
• Entwicklung von modernen Mo-Si-Ti Legierungen für Hochtemperaturanwendungen, Werkstoffwoche Dresden 2019, Dresden, Deutschland (2019)
  S. Obert, L. Alavi, L. Winheim, A. Kauffmann & M. Heilmaier
  
• Oxidation protection for Mo-based alloys by magnetron sputtered Si-based coatings, Beyond Nickel-Based Superalloys III, Nara, Japan (2019)
  R. Anton, V. Leisner, U. Schulz, S. Obert & M. Heilmaier
  
• Characterisation of the oxidation and creep behaviour of novel Mo-Si-Ti alloys. Acta Materialia, 184, 132-142.
  Obert, Susanne; Kauffmann, Alexander & Heilmaier, Martin
  
• Creep performance of pestingresistant Mo-Si-Ti alloys, Materials Research Society Fall Meeting (MRS), online, (2020)
  S. Obert, A. Kauffmann, R. Pretzler, D. Schliephake & M. Heilmaier
  
• Effect of Water Vapor on the Oxidation Behavior of the Eutectic High‐Temperature Alloy Mo‐20Si‐52.8Ti. Advanced Engineering Materials, 22(7).
  Weber, Matthias; Gorr, Bronislava; Christ, Hans-Jürgen; Obert, Susanne; Kauffmann, Alexander & Heilmaier, Martin
  
• Entwicklung und Legierungsdesign von Ti-Mo-Si Legierungen für den Hochtemperatureinsatz, DGM Fachausschusssitzung Intermetallische Phasen, Nürnberg, Deutschland (2020)
  S. Obert, A. Kauffmann, S. Schellert, M. Weber & M. Heilmaier
  
• Magnetron Sputtered Silicon Coatings as Oxidation Protection for Mo‐Based Alloys. Advanced Engineering Materials, 22(7).
  Anton, Ronja; Laska, Nadine; Schulz, Uwe; Obert, Susanne & Heilmaier, Martin
  
• On the chemical and microstructural requirements for the pesting-resistance of Mo–Si–Ti alloys. Journal of Materials Research and Technology, 9(4), 8556-8567.
  Obert, Susanne; Kauffmann, Alexander; Seils, Sascha; Schellert, Steven; Weber, Matthias; Gorr, Bronislava; Christ, Hans-Jürgen & Heilmaier, Martin
  
• Advanced design of oxidation protection coatings for Mo-based alloys by magnetron sputtering, High-Temperature Corrosion and Protection of Materials (HTCPM 2021), L‘ile des Embiez, France (online) (2021)
  R. Anton, S. Hüning, N. Laska, U. Schulz, S. Obert, A. Kauffmann, M. Heilmaier, M. Weber & B. Gorr
  
• Graded PVD Mo-Si interlayer between Si coating and Mo-Si-B alloys: Investigation of oxidation behaviour. Corrosion Science, 192, 109843.
  Anton, Ronja; Hüning, Steffen; Laska, Nadine; Weber, Matthias; Schellert, Steven; Gorr, Bronislava; Christ, Hans-Jürgen & Schulz, Uwe
  
• Microstructural and chemical constitution of the oxide scale formed on a pesting-resistant Mo-Si-Ti alloy. Corrosion Science, 178, 109081.
  Obert, Susanne; Kauffmann, Alexander; Seils, Sascha; Boll, Torben; Kauffmann-Weiss, Sandra; Chen, Hans; Anton, Ronja & Heilmaier, Martin
  
• The Creep and Oxidation Behaviour of Pesting-Resistant (Mo,Ti)5Si3-Containing Eutectic-Eutectoid Mo-Si-Ti Alloys. Metals, 11(1), 169.
  Obert, Susanne; Kauffmann, Alexander; Pretzler, Rupert; Schliephake, Daniel; Hinrichs, Frauke & Heilmaier, Martin
  
• The effect of water vapour on the high temperature oxidation behaviour of Mo-20Si-52,8Ti, High-Temperature Corrosion and Protection of Materials (HTCPM 2021), L‘ile des Embiez, France (online) (2021)
  M. Weber, B. Gorr, H.-J. Christ, R. Anton, N. Laska, U. Schulz, S. Obert, A. Kauffmann & M. Heilmaier
  
• Development and characterization of an Environmental Barrier Coating system for Mo-based alloys using magnetron sputtering, International Conference on Metallurgical Coatings and Thin Films (ICMCTF), San Diego, USA (2022)
  R. Anton, V. Leisner, N. Laska & U. Schulz
  
• Interface reactions of magnetron sputtered Si-based dual layer coating systems as oxidation protection for Mo-Si-Ti alloys. Surface and Coatings Technology, 444, 128620.
  Anton, Ronja; Hüning, Steffen; Laska, Nadine; Weber, Matthias; Schellert, Steven; Gorr, Bronislava; Christ, Hans-Jürgen; Heilmaier, Martin & Schulz, Uwe
  
• Phase Continuity, Brittle to Ductile Transition Temperature, and Creep Behavior of a Eutectic Mo–20Si–52.8Ti Alloy. Advanced Engineering Materials, 24(11).
  Tirunilai, Aditya Srinivasan; Hinrichs, Frauke; Schliephake, Daniel; Engstler, Michael; Mücklich, Frank; Obert, Susanne; Winkens, Georg; Kauffmann, Alexander & Heilmaier, Martin
  
• Reactive Sputtered Ytterbium Silicate Environmental Barrier Coatings for Protection of Mo-Si-Based Alloys. Coatings, 12(8), 1086.
  Anton, Ronja; Leisner, Vito; Laska, Nadine & Schulz, Uwe
  
• Characterization of the oxidation behavior of non-coated and Si-coated Mo-Si-Ti alloys in dry and wet atmospheres, The 20th International Microscopy Congress (IMC20), Busan, Republic of Korea (2023)
  M. Weber, S. Schellert, H.-J. Christ, A. S. Tirunilai, A. Kauffmann, M. Heilmaier, R. Anton, N. Laska, U. Schulz & B. Gorr
  
• The oxidation behavior of the eutectic alloy Mo-20Si-52.8Ti in dry and wet atmospheres, The Minerals, Metals & Materials Society Annual Meeting & Exhibition (TMS), San Diego, USA (2023)
  M. Weber, S. Schellert, H.-J. Christ, A. S. Tirunilai, A. Kauffmann, M. Heilmaier & B. Gorr