Entwicklung und Upscaling von Cr-reichen Cr-Mo-Si-Legierungen für Hochtemperaturanwendungen über 1100°C

Refraktärmetalllegierungen gehören zu den vielversprechendsten Materialklassen, um Anwendungen im Hochtemperaturbereich über 1100°C bei hoher mechanischer Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit möglich zu machen. Aktueller Stand der Technik für dieses Anwendungsfeld sind Ni-Basis-Superlegierungen, welche aber durch ihre generell niedrige Schmelztemperatur in ihrer maximalen Anwendungstemperatur (ca. 1100°C) ausgereizt sind. Refraktärmetalle bieten deutlich höhere Schmelztemperaturen und ermöglichen damit potentiell auch höhere Arbeitstemperaturen, welche z.B. in Gasturbinen mit Effizienzsteigerungen einhergehen. Das Basis-Refraktärmetall sollte dabei eine möglichst geringe Dichte (Gewichtsreduzierung = Energieeffizienz) und hohe Verfügbarkeit (Kosteneffizienz) aufweisen.

Chrom ist ein mögliches Ausgangsmaterial für diese Aufgabe, ist aber in Reinform durch die starke Nitrierungsanfälligkeit nicht korrosionsbeständig genug. Zudem können bei sehr hohen Temperaturen in Luft flüchtige Chromoxide entstehen. Am DFI wurden in vorangehenden Projekten vor allem Cr-Si-Legierungen untersucht. Durch das Zulegieren von 5-13 At. % Si zu reinem Cr entsteht ein ausscheidungshärtbares Gefüge aus A2-Matrix (Cr-Mischkristall) und intermetallischen A15-Ausscheidungen (Cr₃Si). Die A15-Phase bietet dabei erhöhte Kriechbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit, während die A2-Phase das Mindestmaß an Duktilität und Bruchzähigkeit bietet. Molybdän als weiteres Legierungselement kann Cr in beiden Phasen gleichermaßen substituieren und erhöht den Schmelzpunkt der Legierung. In der A15-Phase erhöht Mo die Kriechbeständigkeit weiter und führt außerdem zur Mischkristallhärtung und erhöhten Nitrierungsbeständigkeit der A2-Phase. Auch ein feineres Gesamtgefüge konnte durch das Zulegieren von Molybdän zu Cr-Si-Legierungen festgestellt werden.

Ziel dieses Projektes ist, eine Cr-reiche Cr-Mo-Si-Legierung für Anwendungstemperaturen über 1100°C zu entwickeln. Hierzu soll in einem ersten Schritt eine Probenserie mit Cr/Mo-Verhältnissen zwischen ca. 1,3 und 8,2 bei gleichbleibendem Si-Gehalt mittels Lichtbogenschmelzofen hergestellt und untersucht werden. Das entstehende Gefüge wird in Abhängigkeit von der Wärmebehandlung und dem Mo-Gehalt untersucht, und das Oxidationsverhalten bei 1200°C in Luft wird getestet. Die vielversprechendsten Legierungs-zusammensetzungen werden im Anschluss genutzt, um Pulver herzustellen und die Fertigung mittels Pulvermetallurgie zu ermöglichen. Mit Hilfe der pulvermetallurgisch hergestellten Probenkörper sollen dann ausgiebige mechanische Hochtemperaturuntersuchungen durchgeführt werden, um die Anwendungsmöglichkeiten und das Arbeitsfenster der entwickelten Legierung genau zu definieren.

Das Projekt 20E2125 wird im Rahmen des fünften zivilen Luftfahrtforschungsprogramms (LuFo V) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.