Entwicklung und Charakterisierung neuartiger refraktärer High-Entropy-Alloys für Hochtemperaturanwendungen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr.-Ing. Bronislava Gorr; Professor Dr.-Ing. Martin Heilmaier
• Fachliche Zuordnung: Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 262854559

Der Einsatz von Nickelbasissuperlegierungen, die heutzutage die vorherrschende Werkstoffklasse der Hochtemperaturlegierungen darstellen, wird durch ihre Schmelztemperatur limitiert. In diesem Vorhaben werden neue, so genannte High Entropy Alloys (HEA) auf Basis von refraktären Metallen für Anwendungen bei hohen Temperaturen vorgeschlagen. Der grundlegende Unterschied zu konventionellen Legierungen besteht darin, dass die Konzentrationen aller Elemente in den HEA gleich oder annähernd gleich sind. Das Konzept der äquimolaren Werkstoffe postuliert, dass die Ausbildung homogener fester Lösungen thermodynamisch stark begünstigt wird, während das Auftreten komplexer, intermetallischer Phasen, die oft spröde sind, erheblich behindert wird. Die daraus resultierende einfache Mikrostruktur führt dazu, dass diese Legierungen sich durch besondere Eigenschaften, wie hohe thermische Stabilität, duktiles Verhalten bei Raumtemperatur, hohe Hochtemperaturfestigkeit etc., auszeichnen. Die Ergebnisse unserer ersten durchgeführten Untersuchungen weisen nach, dass sich ein einphasiger kubisch raumzentrierter Mischkristall bei der gewählten Zusammensetzung 20Mo-20W-20Al-20Cr-20Ti ausbildet. Obwohl nahezu alle Refraktärmetalllegierungen eine schwache Hochtemperaturbeständigkeit aufweisen, zeigt die neue äquimolare Legierung bereits eine gute Hochtemperaturoxidationsbeständigkeit. Verglichen mit konventionellen Ni-Basissuperlegierungen liegt die berechnete Schmelztemperatur jedoch etwa 250°C höher. Im vorgelegten Projekt geht es daher um die Entwicklung der HEA auf Basis von refraktären Metallen im System Mo-W-Al-X-Y. Drei Referenzlegierungen mit den folgenden chemischen Zusammensetzungen wurden festgelegt: (i) 20Mo-20W-20Al-20Cr-20Ti, (ii) 20Mo-20W-20Al-20Cr-20Mn und (iii) 20Mo-20W-20Al-20Mn-20Ti. Da das Konzept der HEA die Zugabe weiterer Elemente in geringen Konzentrationen erlaubt, wird der Effekt mikrolegierter Elemente wie B, Zr, Si und Y untersucht, wobei Verbesserungen der mechanischen (B- und Zr-haltige Legierungen) und oxidativen (Si- und Y-haltige Legierungen) Eigenschaften zu erwarten sind. Das übergeordnete Ziel dieses Vorhabens ist es, sowohl das Potential der neuartigen HEA auf Basis der refraktären Metalle zu erforschen als auch metallphysikalische Strategien zum Erreichen der Anforderungen an Hochtemperaturwerkstoffe zu entwickeln. Neben umfassenden mikrostrukturellen Untersuchungen wird der Schwerpunkt dieses Vorhabens auf die Charakterisierung der Kriechbeständigkeit sowie der Hochtemperaturoxidationsresistenz gelegt. Damit können metallurgische Ansätze für eine gezielte Legierungsentwicklung zur sukzessiven Verbesserung der Eigenschaften im Hinblick auf die technische Anwendung bei sehr hohen Einsatztemperaturen aufgezeigt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen