Punktdefektstruktur und intrinsisches Diffusionsverhalten der B2 intermetallischen Phase RuAl und Konsequenzen für Oxidation und mechanische Eigenschaften
Final Report Abstract
Unserer Forschungsgruppe ist es erstmalig gelungen, reproduzierbar einphasiges RuAl unter Berücksichtigung einer Stöchiometrievariation herzustellen. Dadurch gelang es, den Existenzbereich im Gleichgewichtsdiagramm exakt zu definieren und im Vergleich zum damaligen Kenntnisstand zu modifizieren. Dies war entscheidend für die Konzeption des Antrages. Die erste Projektphase war der systematischen Untersuchung von grundlegenden Eigenschaften gewidmet. Dabei fand eine Fokussierung auf die Fragestellungen hinsichtlich der Punktdefektstruktur sowie des Difrusionsverhaltens statt. Alle formulierten Zielstellungen wurden erreicht. Die Punktdefektstruktur in B2-RuAl konnte vollständig geklärt werden. Durch Kombination experimenteller und rechnerischer Ansätze gelang es, sowohl die Leerstellen- als auch die Anti Strukturdefektkonzentration als Funktion der Zusammensetzung quantitativ zu erfassen. Es konnte verifiziert werden, dass ein hybrides Verhalten vorliegt. Auf Grundlage dieser Ergebnisse wurde für RuAl die für intermetallische Phasen wichtige Kenngröße Ordnungsenergie zu 28,4 kJ/mol bestimmt. Außerdem sind Interdiffusionsversuche in einem Temperaturbereich von 1200 °C bis 1500 °C erstmalig durchgeführt worden. Die Abhängigkeit des Interdiffüsionskoeffizienten von der Temperatur, der Zusammensetzung und der Korngröße wurde untersucht. Hinsichtlich der Temperaturabhängigkeit gelang es eindeutig, ein klassisches Arrhenius-Verhalten mit einer Aktivierungsenergie von 236 kJ/mol nachzuweisen. Ebenso konnte gezeigt werden, dass ein geringer Einfluss der Zusammensetzung vorliegt. Quantitativ variiert die Diffusüvität um einen Faktor von fünf zwischen den Extremkonzentrationen. Ergänzend dazu sind die intrinsischen Diffusionskoeffizienten experimentell bestimmt worden. Demnach ist der atomare Transport von AI in RuAl signifikant erhöht im Vergleich zu demjenigen von Ru. Die zweite Projektphase galt der Untersuchung ausgewählter anwendungsrelevanter Eigenschaften. Sowohl die Klärung der Oxidationsverhältnisse unter isothermer und zyklischer Temperaturführung einerseits sowie die erstmalige Ermittlung von Festigkeitswerten aus Zug- und Kriechversuchen standen im Mittelpunkt. Die im ersten Projektabschnitt durchgeführten Untersuchungen hinsichtlich der Defektstruktur, der thermodynamischen Daten und der Diffusionsverhältnisse erbrachten diesbezüglich grundlegende Erkenntnisse zum Verständnis. Aussagen hinsichtlich Oxidationskinetik und Oxidationsmechanismus sind unter isothermer Versuchsfuhrung bis 200 h gewonnen worden. Die Kinetik ist durch ein parabolisches Wachstumsgesetz mit abnehmender Wachstumsrate charakterisiert. Demnach wächst in frühen Stadien bis etwa 10 h sehr schnell eine dichte Oxidschicht, bevor sich danach die Wachstumsgeschwindigkeit signifikant reduziert. Beides - das parabolische Wachstum sowie die abnehmende Wachstumsrate - sind als besonders vorteilhaft für spätere Anwendungen im Hochtemperaturbereich anzusehen. Zudem ergab eine Studie hinsichtlich des Einflusses der Zusammensetzung, dass innerhalb des Einphasenbereichs keine signifikante Änderung der Kinetik festzustellen ist. Folglich ist das Oxidationsverhalten von RuAl stabil gegenüber Zusammensetzungsschwankungen. Im Hinblick auf spätere Anwendungen ist dies als positiv zu bewerten. Die Optimierung des Oxidationswiderstandes verlangt demnach keine Auswahl der Zusammensetzung. Der dabei ablaufende Mechanismus ist charakterisiert durch das Aufwachsen einer a-AhOs, indem oberflächlich AI mit Ü2 reagiert. Mit fortschreitender Zeit bildet sich bedingt durch Diffusion von AI zur Oberfläche darunter eine Verarmungsschicht aus Ru. Die genaue konimorphologische Analyse der Oxidschicht im Querschnitt erbrachte weitere Erkenntnisse hinsichtlich des Mechanismus. In einem ersten Stadium findet ein Oxidschichtwachstum sowohl lateral als auch vertikal statt. Dieses Stadium wird durch das Zusammenstoßen der Oxidkörner begrenzt. Anschließend ist ein eindimensionales, nach innen gerichtetes Wachstum zu beobachten. Über die Zielstellungen des Projektvorhabens hinaus ist es gelungen, ein mikrostrukturelles Konzept zur Einstellung einer a-A^Os-Schicht direkt auf dem RuAl Grundwerkstoff zu entwickeln. Dies ist ein entscheidender Vorteil für spätere Anwendungen. Hintergrund ist, dass die Oxidschicht, im Gegensatz zu anderen Aluminiden, bei RuAl einen gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten annimmt.
Publications
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