Thermomechanically induced precipitation of intermetallic phases in heat resisting ferritic steels

• Applicants: Professor Dr.-Ing. Wolfgang Bleck; Dr.-Ing. Bernd Kuhn
• Subject Area: Metallurgical, Thermal and Thermomechanical Treatment of Materials ; Mechanical Properties of Metallic Materials and their Microstructural Origins
• Term: from 2016 to 2020
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 314367510

• Final Report Year: 2020

Final Report Abstract

Im Rahmen des Projekts wurden hochwarmfeste ferritische Modelllegierungen weiterentwickelt. Hierzu wurde systematisch der Wolframgehalt der Legierung variiert und die Auswirkungen auf die Ausscheidungsprozesse und die erreichbaren mechanischen Eigenschaften im Labormaßstab untersucht. Flankierend wurden thermodynamische und thermokinetische Modellrechnungen durchgeführt, die in erster Linie Verbesserungspotenzial bzgl. der hinterlegten thermodynamischen Datenbanken und Phasenbeschreibungen aufzeigten. Es wurde eine zeitsparende und dadurch kostenreduzierte, integrierte, thermomechanische Behandlung zur kontrollierten verformungsinduzierten Ausscheidung von verfestigenden Laves-Phase-Partikeln der optimierten Werkstoffe entwickelt und im TTS-Labormaßstab erfolgreich demonstriert. Gegenüber dem konventionellen, mehrstufigen Wärmebehandlungsprozess (KTP) konnten vergleichbare Partikelgrößenverteilungen erzeugt werden. Die ausgeschiedene Anzahl an Partikeln verbleibt dagegen verbesserungswürdig. Die mechanischen Kennwerte zeigten sich gegenüber konventionell wärmebehandeltem Material bei Raumtemperatur vergleichbar, bei hoher Temperatur dagegen reduziert. Die Umsetzung der in TTS-Laborversuchen an geringen Materialdicken (15 mm) evaluierten Parameter der Umformung in das Schmieden dickerer Stäbe (92 * 92 mm2 * 250 mm) an der Schmiedepresse im Pilotmaßstab war aufgrund des anspruchsvollen Werkstoffs und des grundlegenden Charakters des Vorhabens bisher nicht erfolgreich. Die resultierenden Stäbe zeigten gegenüber den Laborvarianten und der konventionellen Wärmebehandlungsroute vergröberte Ausscheidungen in verringerter Menge auf. Bei der Werkstoffvariante mit angehobenem Wolframgehalt kam es im Pilotprozess zudem zur Bildung von Mikrorissen in signifikanter Zahl. Diese Aspekte verringerten die mechanischen Eigenschaften der an der Schmiedepresse pilotgeschmiedeten dicken Materialien (92 mm) gegenüber den im Labor geschmiedeten, dünneren Varianten (16 mm). Außerdem wurde festgestellt, dass auch in das im Pilotprozess umgeformte und ausgeschiedene Gefüge hinein eine weitere, durch zyklische Ermüdungsverformung induzierte Nachausscheidung feinerer Laves Phase Partikel möglich ist. Hierdurch wird selbst bei im Gefüge vorhandenen Mikrorissen gutmütiges Ermüdungsverhalten erzielt. Somit wurde ein grundlegendes Verständnis der im untersuchten Legierungssystem vorliegenden Korrelationen von Legierungszusammensetzung, Parameter der Umformung und Ausscheidungszustand mit den resultierenden mechanischen Eigenschaften erreicht. Zudem wurden kritische Parameter wie Materialdicke, Umformtemperatur und Abkühlgeschwindigkeit für die Umformung größerer Materialquerschnitte im Pilotprozess identifiziert und Handlungsempfehlungen zur weiteren Prozessverfeinerung und Legierungsentwicklung geschaffen.

Publications

• Impact of Tungsten on Thermomechanically Induced Precipitation of Laves Phase in High Performance Ferritic (HiperFer) Stainless Steels. Appl. Sci., 10(13), 4472, 2020
  Pöpperlová J.; Fan X.; Kuhn B.; Bleck W.; Krupp U.
  
• Science and Technology of High Performance Ferritic (HiperFer) Stainless Steels. Metals, 10, 463 2020
  Kuhn B., Talik M., Fischer T., Fan X., Yamamoto Y., Lopez Barrilao J.
  
• Thermomechanically Induced Precipitation in High performance Ferritic (HiperFer) Stainless Steels. Appl. Sci.,10(16), 5713, 2020
  Fan X.; Kuhn B.; Pöpperlová J.; Bleck W.; Krupp U.