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M.Sc. Franz Müller

 
  franzmueller
Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Raum:
PB-A 251                             
Telefon:
+49 (0)271/740-4653
Telefax:
+49 (0)271/740-2545
E-Mail:

Anschrift:
Universität Siegen 
Fakultät IV, Department Maschinenbau 
Lehrstuhl für Materialkunde und 
Werkstoffprüfung 
Paul-Bonatz-Strasse 9-11 
57076 Siegen 


Arbeitsgebiet:

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

Die Leistungsabgabe einer Triebwerksgasturbine kann besonders durch höhere Gaseintrittstemperaturen bei gleichbleibendem Verdichterdruckverhältnis deutlich gesteigert werden. Begrenzt wird die Weiterentwicklung der Triebwerke vor allem durch den Mangel an geeigneten Hochtemperaturwerkstoffen, die den zunehmenden Anforderungen und Belastungen standhalten können. Die heutzutage vorherrschende Werkstoffklasse der Ni-Basis Superlegierungen ist trotz zusätzlicher Hitzeschutzbeschichtung und spezieller Kühlung, aufgrund ihrer Schmelztemperatur (ca. 1450°C), für eine Einsatztemperatur von maximal 1100°C begrenzt. In den letzten Jahren ist daher in wissenschaftlichen Publikationen sowie internationaler und nationaler Tagungen der Luft- und Raumfahrtindustrie die Notwendigkeit neuer hochtemperaturbeständiger Werkstoffe zunehmend stärker betont worden.

Ein neuer und vielversprechender Ansatz in der Legierungsentwicklung stellen die 2004 von Yeh vorgestellten High-Entropy Alloys (HEAS) dar, die seither das Interesse zahlreicher Wissenschaftler und Ingenieure auf der ganzen Welt wecken. Konventionelle Legierungen bestehen im Grunde aus einem Basismetall, wie z.B. Nickel, welchem in geringeren Anteilen weitere Metalle (z.B. Chrom und Cobalt) dazu legiert werden, um die gewünschten Materialeigenschaften zu erzielen. Im Gegensatz dazu, bestehen HEAs aus mindestens 5 Basiselementen, die in gleichen oder ähnlichen Anteilen in Legierung vorherrschen. Daneben können weitere Elemente bis zu 5 At.% zur weiteren Optimierung dazu legiert werden. Das besondere an diesen multi-komponenten Legierungen ist, dass sich bei ihnen, trotz der Menge an Metallen, oft eine einphasige Mikrostruktur mit simplen krz- oder kfz-Kristallstrukturen vorfinden lässt. Diese ungeordneten festen Phasen werden, vor allem bei hohen Temperaturen, durch die hohe Mischungsentropie (aufgrund der hohen Anzahl an Elementen) gegenüber den geordneten intermetallischen Phasen begünstigt. Als potentielle Hochtemperaturlegierungen sind vor allem HEAs auf refraktärer Basis besonders attraktiv. So zeigen bisherige Studien, dass refraktäre HEAs (je nach chemischer Zusammensetzung) über eine äußerst hohe Härte (bis zu 1000HV), große Hochtemperaturfestigkeiten und einen hohen Widerstand gegen Verschleiß und Hochtemperaturkorrosion verfügen können.

Im Rahmen des Forschungsvorhabens in Zusammenarbeit mit dem Institut für angewandte Materialien in Karlsruhe (KIT) soll das Potential der neuartigen refraktären HEAs erforscht und aussichtsreiche modellbasierte metallphysikalische Strategien zum Erreichen der Anforderungen an Hochtemperaturwerkstoffe entwickelt werden. Das im Schwerpunkt stehende HEA-System Mo-Cr-Ti-Al-X soll zur Hochtemperaturanwendung folgende Charakteristiken aufweisen: (i) Ausreichend hoher Schmelzpunkt, (ii) vorteilhafte Kombination aus Duktilität und Festigkeit, (iv) Kriechwiderstand und (v) Hochtemperaturkorrosionswiderstand. Das refraktäre Metall Mo soll dabei für eine duktile Matrix und einen hohen Schmelzpunkt in der Legierung sorgen. Um trotz der hohen Anteile an refraktären Metalle einen guten Hochtemperaturkorrosionswiderstand zu gewährleisten, sollen Cr und Al dazu legiert werden. Diese bilden bekannter Weise während des Oxidationsvorganges eine schützende und passivierende Oxidschicht aus Cr2O3 und Al2O3 aus. Ferner sorgen die beiden Leichtmetalle Al und Ti für eine ausreichend niedrige Dichte des Werkstoffes. Durch zusätzliches Makrolegieren weiterer Metalle (stellvertretend mit X gekennzeichnet) wie: Nb, Ta und Mn etc. sollen die zur Hochtemperaturanwendung gewünschten Werkstoffeigenschaften erreicht werden. Unterstützend sollen die Effekte weiterer Elemente in geringen Konzentrationen (Mikrolegieren) wie Si, Zr und Y auf das Werkstoffverhalten untersucht werden. Y und Zr sind aus der Literatur zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften durch Effekte wie der Teilchenhärtung bekannt. Auch der positive Einfluss von Si auf den Hochtemperaturoxidationswiderstand Cr-haltiger Legierungen ist der Literatur eingehend beschrieben worden. Zur weiteren Verbesserung des Oxidationswiderstandes bei hohen Temperaturen sind zudem diverse Vorbehandlungsmethoden wie die gezielte Voroxidation bei speziellen Umgebungsdrücken, sowie eine Halogenisierung des Substrates zu untersuchen

Während sich das KIT um die Legierungsherstellung und die mechanischen Prüfung der HEAs bemüht, wird am Institut für Werkstofftechnik an der Uni Siegen das Hochtemperatur Oxidationsverhalten charakterisiert. Dafür sind diverse thermogravimetrische Untersuchungen bei verschiedenen Temperaturen und Atmosphären geplant, um im ersten Schritt die Oxidationskinetik zu beurteilen. Am Institut für Werkstofftechnik steht dafür eine Magnetschwebe Thermowaage der Firma Rubotherm zur Verfügung, mit welcher sich eine in-situ Massenänderung bis in den Mikrogrammbereich detektieren lässt. Nachfolgend sollen Mikrostrukturuntersuchungen Aufschluss über die Morphologie des Substrates sowie der Oxid- und Randschichten der ausgelagerten Legierungen geben. Die Abbildung der Mikrostruktur ist mithilfe der Rasterelektronenmikroskopie (REM) möglich. Zusätzlich kann mit der energiedispersiven Röntgenspektroskopie (EDS) am REM eine qualitative und quantitative Charakterisierung der chemischen Zusammensetzung durchgeführt werden. Für detailliertere mikrostrukturelle Untersuchungen im Nanometerbereich steht an der Uni-Siegen ebenfalls ein Transmissionenelektronenmikroskop (TEM) mit einem hochmodernen EDS-System zur Verfügung. Ergänzend wird die Röntgendiffraktometrie zur qualitativen und quantitativen Phasenuntersuchung von Substrat und Korrosionsprodukt herangezogen.

 

Mithilfe thermodynamische Berechnung mit dem Programm „Factsage“ sollen zudem thermodynamische Stabilitäten möglicher Phasen von Substrat und Korrosionsprodukten simuliert und mit den experimentellen Untersuchungen verglichen werden. Dazu soll zunächst während dieser Forschungsarbeit die Datenbank von Factsage um die notwendigen und noch fehlenden Elemente erweitert werden. Ergänzend sollen die Ergebnisse mit kalorimetrischen Untersuchungen, sowie in-situ XRD Messungen verglichen werden, um Aussagen über Phasenzusammensetzungen und Phasenstabilitäten der Werkstoffe bei verschiedenen Temperaturen zu ermitteln.