FOR 727: Beyond Ni-Base Superalloys
Final Report Abstract
Metallische Werkstoffe, die Oberflächentemperaturen größer 1200°C bei gleichzeitiger hoher mechanischer Belastung in Luftatmosphäre dauerhaft widerstehen können, sind nicht nur aus volkswirtschaftlichen Gesichtspunkten und Umweltaspekten (Schonung fossiler Ressourcen, Verringerung der Schadstoffbelastung) von großem Interesse. Anspruch und Vision der Forschergruppe war es daher, an den nachfolgend genannten zwei Legierungssystemen das Potential für eine Hochtemperaturanwendung hinsichtlich der entscheidenden Eigenschaften Zähigkeit und Duktilität bei tiefen Temperaturen (Raumtemperatur); Kriechwiderstand; Oxidationsbeständigkeit zu evaluieren und die Grundlagen für eine technische Umsetzung zu schaffen. Im Rahmen der Forschergruppe konzentrierten sich die Aktivitäten auf die folgenden zwei Legierungssysteme: Mo-Si-B, wo gerade durch die Aktivitäten der gebildeten Forschergruppe inzwischen international ein fortgeschrittener Reifegrad in der Entwicklung erreicht wurde; Co-Re-Cr, für das während der Laufzeit der Forschergruppe grundlegende und bis dato neue Erkenntnisse erarbeitet wurden. Die wesentlichen Ergebnisse und Erkenntnisse aus den Arbeiten sind nachfolgend kurz zusammengefasst. An beiden Legierungssystemen hat sich unabhängig von der gewählten Herstellroute (Schmelzmetallurgie für Co-Re-Cr, Pulvermetallurgie für Mo-Si-B) als ausschlaggebend für die Zähigkeit und Duktilität bei tiefen Temperaturen die Segregation bestimmter Legierungsspezies an die Korn- und Phasengrenzen herausgestellt. Bei den Co-Re-Cr-Legierungen konnte nachgewiesen werden, dass es sich hier nicht um eine intrinsische Sprödigkeit des Werkstoffes handelt, sondern umgebungsempfindliche Korngrenzen versagensauslösend sind. Dieses Problem konnte durch Zulegieren von Bor (und Zirkon) erfolgreich beseitigt werden, so dass nun duktiles Werkstoffverhalten vorliegt. Auch bei den Mo-Si-B-Legierungen war die niedrige Korngrenzenkohäsion durch segregierten Sauerstoff für dieses Phänomen verantwortlich zu machen. Hier konnte mit Hilfe des Zulegierens von Zr die Spröd-Duktil-Übergangstemperatur um immerhin fast 200 K gesenkt werden. An beiden Legierungssystemen wurden Kriechversuche vorwiegend im Zugmodus bis hin zu Temperaturen jenseits der 1200°C durchgeführt. Überraschenderweise wurden trotz der Kombination mehrerer Härtungsmechanismen wie Mischkristallhärtung, Teilchenhärtung durch Karbide, Oxide und intermetallische Phasen relativ geringe Spannungsexponenten (typisch zwischen 1,5 und 4) beobachtet. In beiden Fällen konnte experimentell nachgewiesen werden, dass auch wegen der relativen Feinkörnigkeit der Legierungen Korngrenzengleiten maßgeblich dafür verantwortlich zeichnen muss. Dennoch weisen zumindest einige der Mo-Si-B-Legierungsvarianten minimale Kriechraten auf, die mindestens um eine Größenordnung unter denjenigen von einkristallinen Nickelbasis-Superlegierungen liegen und verdeutlichen damit das Anwendungspotential der Legierungen. Beide Legierungssysteme zeigten zu Anfang der Forschergruppe keinen ausreichenden Oxidationswiderstand, in manchen Temperaturbereichen sogar katastrophale Oxidation. Im System Co-Re-Cr konnte der entscheidende Durchbruch durch die simultane Zugabe von etwa 2% Silizium (zur Keimbildung einer dichten, schützenden Cr2O3-Schicht) sowie bis 0.1% Yttrium (zur Verbesserung der Oxidschichthaftung und Vermeidung von Abplatzen derselben) erzielt werden. Hinreichender Oxidationsschutz bis etwa 1100°C liegt somit nunmehr vor. Im System Mo-Si-B ist es durch mikro- (bis zu 0.2% La bzw. Y) und makrolegierungstechnische (bis zu 25% Cr bzw. Ti) Maßnahmen erstmals gelungen, Legierungen zu entwickeln, die auch bei intermediären Temperaturen (750-1000°C) sowohl intrinsische Oxidationsbeständigkeit als auch Selbstheilungsvermögen aufweisen. Durch eine entsprechende Voroxidationsbehandlung unter stark sauerstoffreduzierter Atmosphäre konnte die intrinsische Oxidationsbeständigkeit auf bis zu 1200°C ausgeweitet und damit die Zielstellung der Forschergruppe erreicht werden.
