Wärmebehandelbare Chrombasislegierungen für extreme Temperaturen

Hochtemperaturanwendungen sind ein stetig wachsender und immer breiter werdender Bereich. Als Hochtemperaturwerkstoffe werden derzeit hauptsächlich einphasige Ni-Basis-Superlegierungen verwendet, ihre Einsatztemperatur ist jedoch auf maximal 1150°C begrenzt. Um weiter die Arbeitstemperatur und damit die Effizienz von Hochtemperaturprozessen steigern zu können, wird in den letzten Jahren vermehrt nach Materialien und Legierungen gesucht, die neben stabilen mechanischen Eigenschaften auch höhere Arbeitstemperaturen zulassen. Mögliche Kandidaten sind aufgrund ihrer hohen Schmelzpunkte die Refraktärmetalle. Neben Mo-Si-B-, Co-Te- und Nb-Si-Legierungen sind Cr-Basis-Legierungen besonders interessant, da sie sehr hohe Schmelztemperaturen von mehr als 1700°C aufweisen und gleichzeitig geringere Dichten als die bisher verwendeten Ni-Basis-Superlegierungen haben. Die Herausforderungen bei diesem System liegen in der hohen Affinität von Chrom, bei hohen Temperaturen mit Stickstoff zu reagieren und dabei zu verspröden. Auch der eingeschränkte Oxidationswiderstand bei ultra-hohen Temperaturen (T > 1000°C) und die geringe Raumtemperaturduktilität haben eine Anwendung von Chrom-Legierungen bisher verhindert.

In dem vorhergehenden DFG-Projekt Hochtemperaturstabilität zweiphasiger Cr-Ge-Si-Legierungen wurde gezeigt, dass der Oxidationswiderstand und der Widerstand gegen Stickstoffversprödung mittels Zugabe von Silizium und Germanium erheblich verbessert werden kann.

In dem aktuellen Projekt geht es nun darum, wärmebehandelbare Cr-Ge-Si-Legierungen mit einem Chromgehalt von mindestens 89 at.% herzustellen und die Mikrostruktur durch Ausscheidungsbildung zu optimieren. Das Projekt wird gemeinsam mit dem Lehrstuhl für Metallische Werkstoffe an der Universität Bayreuth bearbeitet. Zunächst wird der Einfluss der Mikrostruktur auf die mechanischen Eigenschaften und den Oxidationswiderstand untersucht. Dabei wird mittels Wärmebehandlung die Mikrostruktur des Systems – und damit dann die mechanischen und Oxidations-Eigenschaften der Legierung – gezielt eingestellt. Neben Oxidationsversuchen werden auch Kriechversuche und Bruchzähigkeits- und Kriechfestigkeitsmessungen an den Legierungssystemen durchgeführt und die Duktil-Spröd-Übergangstemperatur bestimmt. Mittels Zugabe der Legierungselemente Molybdän und Platin zum Legierungssystem Cr-Si-Ge soll außerdem dessen Legierbarkeit untersucht werden.

Gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - GL 181/45, GA 1704/2