Beyond Nickelbase Superalloys

Metallische Werkstoffe, die Oberflächentemperaturen größer 1200°C bei gleichzeitiger hoher mechanischer Belastung in Luftatmosphäre dauerhaft widerstehen können, sind nicht nur aus volkswirtschaftlichen und Umwelt-Gesichtpunkten (Schonung fossiler Ressourcen, Verringerung der Schadstoffbelastung) von großem Interesse. Für die Werkstoffwissenschaft und angrenzende Disziplinen ergibt sich daraus einerseits die reizvolle Aufgabe, mit metallurgischen bzw. metallphysikalischen Prinzipien nach Legierungen zu suchen, die das oben angesprochene Anforderungsprofil erfüllen können. Andererseits müssen diese neu zu entwickelnden Legierungssysteme eingehend charakterisiert werden, um ihre Eignung hinsichtlich der gestellten Aufgabe unter Beweis zu stellen und im Rückschluss mit den Legierungsentwicklern optimierte Lösungen zu finden. Hier setzt die Forschergruppe an, mit dem Fokus auf die nachfolgenden zwei Legierungssysteme: Mo-Si-B, das bereits seit mehreren Jahren international beforscht wird und wofür die gebildete Forschergruppe bereits sehr gute Vorkenntnisse besitzt, Co-Re, für das in der Literatur bislang nur geringe Kenntnisse vorhanden sind, das jedoch von der Forschergruppe als sehr Erfolg versprechend eingestuft wird. Beide Systeme besitzen Schmelzpunkte, die mindestens 250°C über denen der heute eingesetzten Ni-Basis-Superlegierungen liegen. Die zentrale Aufgabe der Legierungsentwicklung und das Ziel dieser Forschergruppe bestehen nun einerseits darin, weitere Legierungselemente zu finden, die eine Verbesserung der für einen (Last tragenden) Hochtemperatureinsatz essentiellen, nachfolgend aufgelisteten Eigenschaften erlauben: Oxidationsbeständigkeit, Kriechwiderstand, Zähigkeit und Duktilität bei tiefen Temperaturen (Raumtemperatur), Ermüdungswiderstand. Die drei erstgenannten Eigenschaften wurden im ersten Förderzeitraum intensiv untersucht. Als ein „Highlight“ ist in der zweiten Projektphase die Duktilisierung der Mo‑Si-Mischkristallphase, welche die Matrix im System Mo-Si-B bildet, durch (Mikro-) Legieren gelungen. Eine Zugabe von Zr bewirkt durch die Stärkung der Korngrenzen sowohl eine Festigkeitssteigerung als auch eine Erhöhung der Duktilität, wie es in der unten stehenden Abbildung anhand einer Beispiellegierung gezeigt wird. Außerdem soll das (komplexere) Ermüdungsverhalten nach Identifikation von viel versprechenden Legierungszusammensetzungen untersucht werden.