Entwicklung refraktärmetallbasierter CCAs mit verbesserten mechanischen Eigenschaften

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Hans Jürgen Christ, seit 8/2021; Professor Dr.-Ing. Martin Heilmaier
• Fachliche Zuordnung: Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 388478770

Das übergeordnete Ziel dieses Vorhabens ist die Entwicklung von neuartigen refraktärmetallbasierten Hochtemperaturwerkstoffen, welche die Einsatztemperaturen der bisher eingesetzten Nickelbasis-Superlegierungen übersteigen. Die Vorarbeiten innerhalb des Legierungssystems Ta-Nb-Mo-Cr-Ti-Al zeigen, dass sowohl einphasige, Hochentropielegierungen (RHEA) als auch mehrphasige Multikomponentenlegierungen (RCCA) vielversprechende Mikrostrukturen, mechanische Eigenschaften und gleichzeitig vorhandene Oxidationsbeständigkeit besitzen. Besonders herausragende Eigenschaften zeigen Legierungen innerhalb des Systems Ta-Mo-Cr-Ti-Al: einige dieser Legierungen besitzen Schmelztemperaturen von bis zu 2100 °C, wobei ein zuverlässiger Oxidationsschutz bis zu 1500°C besteht. Speziell Legierungen aus dem ternären System Ta-Mo-Ti weisen eine einphasige Mikrostruktur mit A2 Kristallstruktur auf und besitzen adäquate Hochtemperaturfestigkeit sowie plastische Verformbarkeit bei Raumtemperatur. Durch Zulegieren von Al und Cr kann eine Ordnungseinstellung mit B2 Kristallstruktur beobachtet werden. Infolgedessen zeigen die Legierungen eine hohe Festigkeit bei hohen Temperaturen aber nur unzureichende Duktilität bei tiefen Temperaturen. Unsere jüngsten Ergebnisse zeigen darüber hinaus, dass einige Legierungen innerhalb des Legierungssystems Ta-Mo-Cr-Ti-Al sogar eine zweiphasige Mikrostruktur ähnlich denen von Nickelbasis-Superlegierungen aufweisen. Der Fokus der zweiten Förderperiode liegt daher auf der Entwicklung von Legierungen auf Basis des Systems Ta-Mo-Cr-Ti-Al mit einer A2 Matrix sowie darin fein verteilten kohärenten, B2-geordneten Ausscheidungen. Wir streben ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Duktilität bei Raumtemperatur, Kriechbeständigkeit und Hochtemperaturfestigkeit sowie Oxidationsbeständigkeit an. Um diese Ziele zu erreichen, werden zwei Ansätze verfolgt. Ausgehend vom ternären System Ta-Mo-Ti, welches eine duktile einphasige A2-Mikrostruktur in einem weiten Temperatur- und Zusammensetzungsbereich aufweist, werden die Hochtemperatureigenschaften durch folgende Mechanismen verbessert: (i) Mischkristallverfestigung der A2-Matrixphase und (ii) Bildung von homogen verteilten, kohärenten B2 Ausscheidungen. Die Mischkristallverfestigung wird durch die systematische Variation von Ta, Mo und Ti sowie durch die Zugabe geringer Mengen an Al und Cr untersucht. Flankiert durch thermodynamische Berechnungen werden dann B2 Ausscheidungen in der A2 Matrix durch die schrittweise Erhöhung der Al- und Cr-Konzentration erzeugt, in Kombination mit geeigneten Wärmebehandlungsschemen. Neben der thermodynamischen Modellierung müssen vielfältige experimentelle Methoden angewendet werden, beginnend mit thermischer Analyse und eingehenden mikrostrukturellen Charakterisierungen über die Ermittlung der mechanischen Eigenschaften mittels Druck- und Zugversuchen sowie Kriechversuchen einschließlich entsprechender Untersuchungen zum Oxidationsverhalten in Luft.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2006: Legierungen mit komplexer Zusammensetzung - Hochentropielegierungen (CCA - HEA)
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Alexander Kauffmann
• Ehemalige Antragstellerin: Professorin Dr.-Ing. Bronislava Gorr, bis 8/2021