Oxiddispersionsverfestigte, oxidationsresistente Vanadium-Legierungen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Privatdozent Dr.-Ing. Mathias Galetz; Professorin Dr.-Ing. Manja Krüger
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 494809307

Vanadium-Basis-Legierungen sind vielversprechende Kandidaten zur Entwicklung neuartiger Hochtemperaturwerkstoffe u.a. aufgrund hoher spezifischer mechanischer Eigenschaften. Letztere können durch das Legieren mit Elementen die zu Ausscheidungshärtung führen (wie Si und B) oder oxidischen Partikeln, so genannten ODS-Partikeln (Oxiddispersoiden), erreicht werden. Allerdings ist für optimale mechanische Eigenschaften eine V-Mischkristall-Matrix im Werkstoff erforderlich. Diese ist wiederum extrem anfällig gegenüber oxidierenden Atmosphären. Der Grund ist, dass es zur Bildung von V2O5 kommt, welches – ganz im Gegensatz zum reinen Metall (Ts, V = 1910 °C) – bei Temperaturen über ca. 690 °C flüssig ist. Dieses Oxidationsverhalten ist der Grund dafür, dass Vanadiumbasis-Legierungen trotz ihrer hohen Festigkeiten bei gleichzeitig geringer Dichte bisher nicht für einen Hochtemperatureinsatz in Erwägung gezogen werden. Hinzu kommt, dass Vanadat sehr leicht zwischen verschiedenen Oxidationsstufen wechselt und dadurch die Hochtemperaturkorrosion von Ni-, Co- oder Fe-Basiswerkstoffen extrem beschleunigt, besonders, wenn es in geschmolzener Form vorliegt. Damit schließt sich auch ein Einsatz von aktuellen Vanadiumlegierungen im Umfeld dieser Werkstoffe aus. Um Vanadiumlegierungen bei hohen Temperaturen einsetzbar zu machen, soll daher ein völlig neuartiger Ansatz zum Oxidationsschutz bei gleichzeitiger Oxidpartikelverstärkung verfolgt werden: Der Einsatz von Mg- und Ca-haltigen Oxidpartikeln zur Herstellung von oxidationsbeständigen ODS-V-Si-Legierungen. In ausreichender Konzentration eingebracht, sollen die ODS-Partikel die Flüssigphasenbildung bei hohen Temperaturen verhindern. Gleichzeitig wird durch die ODS-Partikel ein festigkeitssteigernder Effekt erwartet, der im potentiellen Anwendungsgebiet solcher Legierungen von Raumtemperatur bis 1100 °C quantifiziert werden soll.In dem Vorhaben soll geklärt werden, (1) bis zu welchem Volumenanteil von MgO-, CaO- oder Magnesiumorthosilikat-Partikeln sich homogene Gefüge in Vanadiumwerkstoffen einstellen lassen, (2) wie hoch die notwendige MgO-, CaO- oder Magnesiumorthosilikat-Konzentration ist, um die Flüssigphasenbildung zu verhindern bzw. um einen selbstschützenden Mechanismus zu provozieren, (3) wie groß der festigkeitssteigernde Effekt durch die Zugabe von Oxiddispersoiden ist und wie sich die ODS-Partikel auf das Kriechverhalten von V-Legierungen auswirken. Begleitend sollen die Pulver und Legierungssysteme systematisch hinsichtlich ihrer Zusammensetzung und ihres Gefüges und anschließend bezüglich ihres Oxidationsverhaltens untersucht werden. Das Augenmerk liegt auf der Bestimmung des optimalen Verhältnisses zwischen ODS-Partikeln und Vanadium-Mischkristall in Bezug auf den Oxidationswiderstand wie auch hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften. Damit wird ein völlig neuer Ansatz des Einbringens von Partikeln gewählt, um die Oxidation und gleichzeitig die mechanischen Eigenschaften zu verbessern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Georg Hasemann