Erforschung des Teilchenverstärkungsmechanismus bei Kriechbeanspruchung von TaC-verstärkten Co-Re-Basis-Legierungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des durchgeführten Forschungsprojektes war es, den Verstärkungsmechanismus durch Tantalkarbidausscheidungen (TaC) bei Kriechbeanspruchung von Co-Re-Basis-Legierungen, einer neuen Klasse metallischer Hochtemperaturwerkstoffe, zu erforschen sowie das Potential weiterer Karbide (TiC, HfC) für die Ausscheidungshärtung zu ergründen. Ein zentrales Ergebnis bestand darin, dass die Karbidteilchen auf Grund ihrer langgestreckten Gestalt im untersuchten Temperaturbereich (800°C, 900°C) bemerkenswert starke Hindernisse für das Versetzungsklettern sind und deshalb das Überklettern der Teilchen, und nicht das Ablösen der Versetzung von der Teilchenrückseite, festigkeitsbestimmend ist. Diese Hinderniswirkung ist so stark, dass die Verfestigung bei 800°C noch derjenigen bei Raumtemperatur entspricht. Ferner konnte gezeigt werden, dass mit den Titankarbiden eine weitere attraktive Teilchenart mit vergleichbar großer Verfestigungswirkung wie die der TaC-Ausscheidungen zur Verfügung steht und das Zulegieren von ca. 1.8at.% Ta plus C bzw. Ti plus C optimal ist. Mit Hilfe transmissionselektronenmikroskopischer Untersuchungen konnte darüber hinaus eine bevorzugte Orientierungsbeziehung zwischen TaC/TiC und Matrix identifiziert werden, die wesentlich von einer auf Grund theoretischer Überlegungen erwarteten abweicht. Auf Grund des Sachverhaltes, dass sich Versetzungsablösen im untersuchten Temperaturbereich als nicht relevant herausstellte, konnten aus den experimentellen Untersuchungen naturgemäß auch keine Erkenntnisse zu diesem Mechanismus gewonnen werden. Dies gelang jedoch durch molekulardynamische (MD) Simulation der Teilchen-Versetzungs-Wechselwirkung. Hierfür wurden zunächst atomistische Simulationen für die Ausscheidungsphase TaC durchgeführt und dabei ein Wechselwirkungspotential zwischen den beiden Atomsorten in dieser Phase parametrisiert, welches als Eingangsinformation für die MD-Simulationen diente. Auf dieser Basis wurden Versetzungslinienenergien an TaC-Teilchen und in der Matrix berechnet. Zentrales Ergebnis ist, dass eine anziehende Wechselwirkung zwischen Versetzung und Teilchen gefunden wurde, deren Stärke wesentlich von der Orientierungsbeziehung zwischen Teilchen und Matrix abhängt. Für die experimentell ermittelte Orientierungsbeziehung wurde eine bemerkenswert starke Anziehungskraft mit einem Relaxationsfaktor k=0,75 ermittelt. Dies ist von besonderer Bedeutung, weil zu erwarten ist, dass der Ablösemechanismus bei sehr hohen Temperaturen anstelle des Klettermechanismus geschwindigkeitsbestimmend wird. Somit konnte durch das Zusammenspiel von Experiment und Simulation gezeigt werden, dass mit TaC (und vermutlich auch TiC) eine hocheffiziente Teilchenverstärkung für Hochtemperaturanwendungen möglich ist.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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“Investigation of different MC-carbides for particle strengthening of Co-Re-based alloys”, Beyond Nickel-Based Superalloys IV International Conference, June 26 - 30, 2023, Potsdam, Germany
Seif, E.; Rösler, J., Werner, J. Weirich, T.E. & Mayer, J. M.
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Ab initio investigation of Co/TaC interfaces. Journal of Alloys and Compounds 2021, 853, 156944
I. Hocker, S.; Lipp, H.; Schmauder, S.; Bakulin, A.V. & Kulkova, S.E.
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Investigation of TaC and TiC for Particle Strengthening of Co-Re-Based Alloys. Materials, 16(23), 7297.
Seif, Eugen; Rösler, Joachim; Werner, Jonas; Weirich, Thomas E. & Mayer, Joachim
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Reassessment of the Matrix Composition of Co-Re-Cr-Based Alloys for Particle Strengthening in High-Temperature Applications and Investigation of Suitable MC-Carbides. Materials, 16(12), 4443.
Seif, Eugen & Rösler, Joachim
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Temperature-Dependent Young’s Modulus of TaC- and TiC-Strengthened Co-Re-Based Alloys. Metals, 14(3), 324.
Fiedler, Torben; Seif, Eugen; Sinning, Hans-Rainer & Rösler, Joachim
