Mikrolegieren von Cr-Si-Legierungen zum Abbinden von Stickstoff und Sauerstoff

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Privatdozent Dr.-Ing. Mathias Galetz; Professorin Dr.-Ing. Anke Silvia Ulrich
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 545140561

Chromreiche Chrom-Silizium-Legierungen sind vielversprechende Kandidaten zur Realisierung von höheren Arbeitstemperaturen in Hochtemperaturprozessen. Durch ihren Schmelzpunkt von 1700 – 1900 °C widerstehen sie potentiell höheren Temperaturen als die derzeit verwendeten Ni-Basis-Superlegierungen bei geringerer Dichte. Die bisher größten Herausforderungen bei der Entwicklung von Cr-Basis-Legierungen sind: i) Ein Spröd-Duktil-Übergangstemperaturbereich, der stark von geringen Verunreinigungen wie Stickstoff und Sauerstoff abhängt und über Raumtemperatur liegt. ii) Die Nitrierung der Cr-Mischkristall-Matrix bei Exposition an Luft unter hohen Temperaturen und damit spröder Cr-Nitride. iii) Der Oxidationswiderstand bei T > 1000 °C, da es hier zu vermehrten Spannungen in der Oxidschicht kommt. In diesem Projekt liegt der Fokus auf der Bindung der versprödenden Elemente Stickstoff und Sauerstoff sowie der Verringerung der Oxid- und Nitridbildung durch Mikrolegieren. In vorhergehenden Untersuchungen und Projekten konnte gezeigt werden, dass geringe Mengen der reaktiven Elemente Yttrium und Zirkonium die Rissbildung in der Oxidschicht bei T > 1000 °C bei reinem Chrom verringern und somit den Oxidations- und Nitrierungswiderstand steigern. Beide Elemente sind starke Oxidbildner und binden demnach Sauerstoff im Material. Um die Versprödung durch Cr2N-Bildung zu verringern bzw. um Stickstoff im Werkstoff abzubinden werden geringe Mengen der Antiperowskit-Phasenbildner Platin und Rhodium zulegiert. Bisher konnte gezeigt werden, dass durch Legieren mit Platin statt einer spröden Cr2N-Schicht thermodynamisch stabilere Cr3PtN-Antiperowskit-Ausscheidungen gebildet werden und so Stickstoff lokal gebunden werden kann, was eine Reduzierung der Härte bewirkt. Daher werden in diesem Projekt Cr-Si-Legierungen mit ca. 0,3 At.-% Yttrium oder Zirkonium als Sauerstoff-Binder und Platin oder Rhodium als Stickstoff-Binder legiert. Die Legierungen werden hinsichtlich ihres Spröd-Duktil-Übergangstemperatur, ihres Kriechwiderstands, Oxidations- und Nitrierungswiderstands mit und ohne externe Belastung (Kriechexperimente) untersucht. Die Mikrostrukturentwicklung wird experimentell und durch Phasenfeld-Simulationen bestimmt. Eine Weiterentwicklung des Lösungsglühprozesses trägt zur Reduzierung der Nitrierung an Phasen- und Korngrenzen und dadurch zur Verringerung der Rissinitiierung bei. Final wird eine Cr-Si-Legierung mit einem Stickstoff- und einem Sauerstoff-bindenden Zusatz hergestellt und untersucht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen