Mechanismus der DBTT in Chromlegierungen: Eine korrelative mikroskopische Untersuchung von Atomen bis zu Versetzungen

• Antragsteller: Dr. Subin Lee
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 566981050

Gasturbinen sind in Luftfahrt und Energieerzeugung entscheidend und erfordern stetige Verbesserungen in Effizienz, CO₂-Reduktion und Lebensdauer. Nickelbasierte Superlegierungen dominieren als Schaufelmaterial, bieten dank ihrer Gamma/Gamma-Prime-Mikrostruktur hervorragende Festigkeit bei hohen Temperaturen, doch ihr Schmelzpunkt begrenzt das weitere Anheben von Betriebstemperaturen. Um über Nickellegierungen hinauszugehen, sind Werkstoffe mit höherer thermischer Stabilität erforderlich. Chrom-(Cr)-Legierungen mit Schmelzpunkten um 1900 °C gelten aufgrund ihrer hohen Temperaturbeständigkeit, Oxidationsresistenz und geringen Dichte – was die Turbineneffizienz steigern kann – als vielversprechend. Allerdings limitiert ihre hohe spröd-duktile Übergangstemperatur (DBTT), die zu Sprödbruch bei Raumtemperatur führt, die strukturelle Zuverlässigkeit. Zwar konnte man durch Mikrostrukturverfeinerung, gezielte Legierungsbildung (z. B. mit Rhenium) und Verunreinigungskontrolle die DBTT senken, doch die grundlegenden Sprödigkeitsmechanismen in Chrom sind nach wie vor nicht vollständig verstanden. Insbesondere Legierungselement-Wechselwirkungen, das Versetzungsverhalten und Segregationsprozesse erfordern detaillierte Untersuchungen im Mikro- und Nanomaßstab. Ziel dieses Projekts ist es, die begrenzte Raumtemperaturduktilität von Chromlegierungen durch korrelative Defekt-Plastizitätsanalysen und hochauflösende chemische Charakterisierung im (sub)Nanometerbereich zu verstehen. Dazu gehören: Lokalisierte mikromechanische Prüfungen mit quantitativer Defektanalyse mittels Electron Channeling Contrast (ECCI), um Versetzungsverhalten und Plastizität zu bewerten, Site-spezifische Segregationsanalysen per Atomsondentomographie (APT) in Kombination mit ECCI, um chemische Informationen an Defektstellen auf Nanometerskala zu gewinnen, Mikromechanische Tests in einem weiten Temperaturbereich von kryogen bis hin zu erhöhten Temperaturen, In-situ-TEM-Verformungsexperimente zur direkten Beobachtung von Versetzungsgleitmechanismen. Ein Schlüsselelement ist die durch ECCI unterstützte Probennahme für APT, die eine präzise Korrelation zwischen Mikrostruktur und chemischer Segregation ermöglicht. Dadurch lassen sich die Rollen kristalliner Defekte, Legierungselement-Interaktionen und Korngrenzeneffekte bei der hohen DBTT von Chrom erfassen. Diese Erkenntnisse fließen unmittelbar in die Legierungsentwicklung und Modellierung (z. B. Versetzungskernsimulationen mithilfe der Dichtefunktionaltheorie oder Versetzungsdynamik-Simulationen) ein. Durch die Verknüpfung von Defektstruktur, mechanischen Eigenschaften und Elementsegregation auf nanoskopischer Ebene liefert dieses Projekt wichtige Grundlagen, um die Raumtemperaturduktilität von Chromlegierungen zu erhöhen und damit ihr Potenzial als Hochtemperaturwerkstoff der nächsten Generation in Gasturbinen auszuschöpfen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Südkorea
• Partnerorganisation: National Research Foundation of Korea, NRF
• Kooperationspartner: Professor Dr.-Ing. Pyuck-Pa Choi