Gerichtete Erstarrung mehrphasiger metallischer Hochtemperaturwerkstoffe jenseits der Nickelbasissuperlegierungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Martin Heilmaier
• Fachliche Zuordnung: Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 171451837

Das Vorhaben hat als zentrale Aufgabe, den Einfluss der gerichteten Erstarrung (DS) auf die mechanischen Hochtemperatureigenschaften von Legierungen mit Schmelzpunkten weit oberhalb bisher eingesetzter Ni-Basissuperlegierungen zu untersuchen. Nach erfolgreicher Inbetriebnahme der Zonenschmelzanlage wurden die Erkenntnisse auf das dreiphasige System Nb-Si-Cr und das zweiphasige System Mo-Si-Ti übertragen. Hierbei wurde eine direkte Korrelation zwischen Erstarrungsparametern und den entstandenen Gefügen gefunden. Die Untersuchungen zeigten für das binäre Eutektikum Nb-18 At.% Si, dass sich durch DS im Vergleich zur pulvermetallurgischen Herstellungsroute der Kriechwiderstand um drei Größenordnungen erhöht. Dies ließ sich auf die unterschiedliche Größe mikrostruktureller Charakteristika zurückführen, welche die Verformungsrate bei vorherrschendem Diffusionskriechen bestimmen. Der Vergleich mit einer aktuellen einkristallinen Ni-Basissuperlegierung verdeutlicht die stark verbesserte Kriechbeständigkeit des DS NbSi-Eutektikums. Erste Kriechversuche an ternären DS Nb-Si-Cr-Legierungen deuten auf Versetzungskriechen als verformungsbestimmenden Mechanismus hin. Das Ansteigen des Spannungsexponenten mit sinkender Spannung lässt sich mit der Bildung von NbCr2-Ausscheidungen in nm-Bereich erklären. Entgegen der Erwartung weist lichtbogenerschmolzenes Material eine höhere Kriechbeständigkeit auf. Im 2. Projektabschnitt sollen Phasenfeldsimulationen am binären Nb-Si in 3D unter Einbindung einer aus atomistischen Modellen konstruierten anisotropen Grenzflächenenergie fortgesetzt werden. Durch Simulationsstudien soll ein Verständnis des räumlichen Aufbaus der Lamellenstruktur in 3D gewonnen und der Einfluss möglicher Keimbildungsereignisse analysiert werden. Parallel soll ein modellhaftes Verständnis des im System Nb-Si-Cr beobachteten Kriechverhaltens erarbeitet werden. Darüber hinaus werden die Untersuchungen zum Duktil-Spröd-Übergang sowie zur Oxidationsbeständigkeit im Fokus stehen. Neben der experimentellen Bestimmung des ternären Eutektikums wird die Phasenfeldmodellierung auf das ternäre Nb-Si-Cr System erweitert. Für zwei thermodynamische Ansätze basierend auf Pandat-Daten bzw. auf Experimenten sollen 3D Mikrostruktursimulationen durchgeführt werden. Die resultierenden Phasenanordnungen und Mikrostrukturkenngrößen werden über eine gemeinsame Schnittstelle mit Charakterisierungsverfahren ausgewertet und die Morphologien klassifiziert. Schließlich ist die Erweiterung des Legierungssystems Nb-Si-Cr mit Vanadium geplant, da dieses aufgrund eigener Publikationen aussichtsreich bezüglich verbesserter Bruchzähigkeit und Oxidationsbeständigkeit erscheint. Im System Mo-Si-Ti muss eine optimale Zusammensetzung hinsichtlich der Möglichkeit, DS-Material zu erzeugen, gefunden werden, wobei der Fokus auf Mo-reiche Legierungen gelegt wird. Abschließend werden die entstandenen Gefüge exemplarisch hinsichtlich des Kriechverhaltens untersucht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen