Hochtemperaturstabilität zweiphasiger Cr-Ge-Si-Legierungen

Ein höherer Wirkungsgrad von Verbrennungsmaschinen ist der treibende Faktor dafür, immer hitzeresistentere Werkstoffe zu entwickeln, damit die Prozessparameter Druck und Temperatur weiter erhöht werden können. Auf diese Weise können niedrigere CO₂-Emissionen und ein geringerer Kraftstoffverbrauch erzielt werden. Diese Motivation treibt die Werkstoffwissenschaftler seit langem an, bekannte Legierungssysteme weiter zu optimieren und neue Werkstoffe für noch höhere Temperaturen zu untersuchen. Nickelbasislegierungen wurden aus diesem Grund über die letzten 60 Jahre immer weiter optimiert. Dies führte zu komplexen Legierungssystemen mit mehr als 10 Legierungselementen und einer optimierten Mikrostruktur, so dass diese Systeme heute bis ca. 1150°C eingesetzt werden können. Zwar bieten Nickelbasislegierungen eine sehr gute Kombination aus hervorragenden mechanischen Eigenschaften bei hohen und niedrigen Temperaturen sowie einer guten Oxidationsbeständigkeit. Die Einsatztemperatur liegt jedoch bereits heute nahe dem Schmelzpunkt von Nickel und damit nahe an der absoluten Grenze. Allerdings könnte durch eine Erhöhung der Einsatztemperaturen über die Grenze der Nickelbasiswerkstoffe hinaus die Effizienz vieler Prozesse weiter gesteigert werden.

Chrombasislegierungen können bei Temperaturen eingesetzt werden, bei denen Nickelbasiswerkstoffe bereits aufschmelzen. Sie bieten ein vorteilhaftes Oxidationsverhalten, niedrigere Dichten als Nickelbasiswerkstoffe und eine hohe Verfügbarkeit. Besonders die extreme Anfälligkeit für Nitrierung bei hohen Temperaturen hat jedoch dazu geführt, dass bisher nur wenig an Chrombasislegierungen für extrem hohe Temperaturen geforscht wurde. Weitere Herausforderungen bei Chrombasislegierungen stellen die Zähigkeit bei Raumtemperatur sowie der eingeschränkte Oxidationswiderstand bei sehr hohen Temperaturen dar, wenn die Verdampfung von Chromoxid eine Rolle zu spielen beginnt.

Die meisten Arbeiten bezogen sich in der Vergangenheit darauf, die mechanischen Eigenschaften und das Hochtemperaturverhalten von Chrombasislegierungen durch Mikro- oder Makrolegieren mit verschiedenen Elementen zu verbessern. Auf diese Weise konnten einige Nachteile wie etwa die geringe Raumtemperaturduktilität bereits deutlich verbessert werden. In den meisten Fällen wurden in der Literatur solche Systeme beschrieben, bei denen sich das Gefüge bei der Erstarrung direkt einstellt und aus einer vergleichsweise zähen Cr-Mischkristallphase zusammen mit einer intermetallischen Phase besteht. Derartige „in-situ composites“ stellen zum Beispiel die Chrom (Mischkristall, MK)-Lavesphasenlegierungen (Cr_MK-Cr₂X; X=Nb,Zr,Ta,Hf) oder das System Chrom-A15-Phase (Cr_MK-Cr₃Si) dar.

Besonders dieses Chrom-Silizium-System ist ein interessanter Kandidat, denn in diesem System bewirkt die A15-Phase eine Erhöhung des Oxidationsschutzes und der Temperaturfestigkeit, während der Chrommischkristall hingegen eine gewisse Raumtemperaturzähigkeit verspricht. Trotz dieses Potenzials gibt es nur sehr wenige Studien zu diesem System.

In diesem Projekt wird eine neue Art von Chrom-Silizid Basis Legierungen entwickelt, die einen hohen Oxidationswiederstand und eine stabile Mikrostruktur haben. Als zusätzliches Legierungselement wird Germanium verwendet, welches den Hochtemperaturoxidationswiederstand positiv beeinflusst. Der Einfluss von Germanium auf die Mikrostruktur der Legierungen wird untersucht wie auch die Kinetik und Thermodynamik der Oxidation.