Bildungs- und Wachstumsmechanismen von CrTaO4-Deckschichten und Verbesserung ihrer Eigenschaften auf relevanten Hochtemperaturlegierungen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Privatdozent Dr.-Ing. Mathias Galetz; Professorin Dr.-Ing. Bronislava Gorr
• Fachliche Zuordnung: Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen ; Beschichtungs- und Oberflächentechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 467750555

Die Oxidationsbeständigkeit von Hochtemperaturwerkstoffen beruht auf der Ausbildung von Deckschichten, die das metallische Substrat von der Atmosphäre trennen. Während die Eigenschaften von Cr2O3, Al2O3 und SiO2, die zu den schützenden Oxiden gehören, seit Jahrzehnten untersucht werden, ist das schützende Potential komplexer Oxide wie z.B. CrTaO4 weitgehend unbekannt. In den letzten Jahren wurden CrTaO4-Schichten auf einigen refraktärmetallbasierten Hochentropielegierungen beobachtet. Diese weisen eine unerwartet hohe Oxidationsresistenz bei Temperaturen bis 1500°C auf. Auch für Nickelbasiswerkstoffe wurde die Bildung von CrTaO4-Schichten nachgewiesen, die mit einer Abnahme der Oxidationsgeschwindigkeit einhergeht.Das Hauptziel des vorliegenden Vorhabens ist es, ein umfassendes Verständnis der Eigenschaften von CrTaO4 zu gewinnen. Um dieses Ziel zu erreichen, sollen fundierte Kenntnisse zu folgenden Themen gewonnen werden: (i) Mechanismen der Ausbildung und des Wachstums von CrTaO4 sowie seiner Resistenz gegen Abdampfung und Nitrierung (ii) Dotierungseffekt mit dem Ziel, die Schutzeigenschaften zu verbessern und (iii) Übertragungsmöglichkeit des Dotierungseffekts auf relevante Werkstoffsysteme. Die grundlegenden Mechanismen der Ausbildung und des Wachstums von CrTaO4 sowie seine Eigenschaften werden an den Modelllegierungen Cr-20Ta, Ni-20Cr-20Ta und Ta-Cr-Ti-Al studiert. Während der erste Werkstoff die einfachste CrTaO4-bildende Modelllegierung darstellt, repräsentieren die zwei weiteren Legierungen die Referenzwerkstoffe für die CrTaO4-bildenden Ni-Basis- bzw. Hochentropielegierungen. Es soll geklärt werden, wie die chemische Zusammensetzung der Legierung und die umgebende Atmosphäre die Charakteristika des CrTaO4 beeinflussen. Das Hochtemperaturoxidationsverhalten der Modelllegierungen wird in Luft und in einer stickstofffreien Umgebung bei Temperaturen zwischen 900 und 1100°C charakterisiert. Weiterhin wird die Hypothese geprüft, wonach die Sauerstoffleerstellen die dominierende Defektart in CrTaO4 darstellen. Der Dotierungseffekt wird durch die Zugabe von 3 At.% Ag, Cu, Re und W zu der äquimolaren Legierung Ta-Cr-Ti-Al untersucht. Es ist zu erwarten, dass das Legieren mit 3 At.% Ag und Cu die Konzentration von Sauerstoffleerstellen und damit die Oxidationsrate erhöht. Durch die Zugabe von 3 At.% W und 3 At.% Re wird dagegen ein positiver Effekt auf die Defektkonzentration und damit auf die Oxidationsresistenz der Legierung Ta-Cr-Ti-Al vermutet. Um diese Arbeitshypothesen zu überprüfen, werden umfassende Oxidationsexperimente in Atmosphären bei verschiedenen Sauerstoffpartialdrücken sowie Temperaturen durchgeführt. Einer der Schwerpunkte dieses Vorhabens liegt in der (hochauflösender) Analyse der ausgebildeten Deckschichten mittels diverser Untersuchungsmethoden. Schließlich soll geklärt werden, ob der Dotierungseffekt auf bereits eingesetzte Ni-Basis- sowie völlig neuartige aber hochversprechende Hochentropielegierungen übertragbar ist.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen