Entwicklung von Hochleistungslegierungen auf Mo-Basis mit neuen Konzepten zur Verfestigung und Oxidationsbeständigkeit

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr.-Ing. Bronislava Gorr; Dr. Ievgen Solodkyi
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 564643118

In den letzten Jahrzehnten wurden umfangreiche Anstrengungen unternommen, um molybdänbasierte Werkstoffe für Ultrahochtemperaturanwendungen zu erforschen, die unter extremen Bedingungen bei Temperaturen über 1100 °C eingesetzt werden können. Trotz zahlreicher Bemühungen gibt es bislang keinen Hochtemperaturwerkstoff auf Mo-Basis, der alle wichtigen Anforderungen wie Kriechbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen, Oxidationsbeständigkeit und eine gewisse Duktilität bei Raumtemperatur erfüllt. In diesem Projekt schlagen wir vor, neue Werkstoffe auf Mo-Basis zu entwickeln, indem wir das umfangreiche Wissen aus der Erforschung von „konventionellen“ Mo-basierten Legierungen wie Mo-9Si-8B sowie von refraktären Hoch-Entropie-Legierungen (RHEA) mit hohen Mo-Konzentrationen (z. B. die äquiatomare Ta-Mo-Cr-Ti-Al-Legierung) kombinieren. Die Entwicklung neuer Hochleistungswerkstoffe wird mit dem Legierungssystem Mo-Ta-Cr-Ti realisiert. Dabei gewährleistet die duktile, kontinuierliche kubisch-raumzentrierte (bcc) Mo-reiche Matrix die Plastizität bei Raumtemperatur – analog zu den konventionellen Mo-basierten Legierungen. Die beiden Verfestigungsmechanismen Mischkristallverfestigung (Solid Solution Strengthening, SSS) und Ausscheidungsverfestigung (Precipitation Strengthening, PS) stellen eine hohe Kriechfestigkeit sicher. Die Mischkristallverfestigung wird durch die Legierung mit den Elementen Ta und Ti erreicht, welche sich leicht in der bcc-Matrix lösen. Um die chemische Zusammensetzung mit dem maximalen Mischkristallverfestigungseffekt zu finden, schlagen wir vor, die schraubenversetzungsgesteuerte Mischkristallverfestigung mit Hilfe der Maresca-Curtin-Modelle zu modellieren. Im Gegensatz zu konventionellen Legierungen auf Mo-Basis wird die PS durch Laves-Phasen-Ausscheidungen realisiert. Um den Mechanismus der Laves-Phasenbildung quantitativ zu beschreiben und die Rolle dieser Phase bei der Kriechfestigkeit und Raumtemperaturplastizität abzuschätzen, werden Legierungen mit unterschiedlichem Phasenanteil der Laves-Phase zunächst thermodynamisch modelliert und anschließend experimentell untersucht. Mit Hilfe des nicht-trivialen Ansatzes zur pulvermetallurgischen Herstellung der Legierung, die das in-situ-Legieren unter Spark-Plasma-Sinter-Bedingungen (SPS) umfasst, können wir die Bildung der Laves-Phase entlang der Grenzen großer Körner, wie sie bei der Schmelztechnologie auftreten, vermeiden. Die Voruntersuchungen haben diese Annahme bereits erfolgreich bestätigt. Die nächste Neuheit stellt ein neues Konzept der Oxidationsbeständigkeit dar. Diese wird durch selten vorkommende Komplexoxide auf Cr-Ta-Basis gewährleistet, die bei den kürzlich entwickelten RHEA eine sehr hohe Schutzwirkung zeigen. Die theoretischen Überlegungen werden durch umfangreiche experimentelle Untersuchungen ergänzt und überprüft, einschließlich mikrostruktureller Studien, Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften und Untersuchung des Oxidationsverhaltens.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich(e): Professorin Dr.-Ing. Manja Krüger