Gerichtet erstarrte Molybdänbasiswerkstoffe

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1 Gerichtet erstarrte Molybdänbasiswerkstoffe M. Krüger 1, G. Hasemann 1, I. Bogomol 2, P. Loboda 2 1 Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg 2 Nationale Technische Universität der Ukraine Kiewer Polytechnisches Institut

2 1. Motivation 1400 C 1300 C 1200 C 1100 C 1000 C 900 C 800 C Nimonic 105 SRR 99 DS Mar M200 DS Mar M002 IN 100 Mar M002 Nimonic 80 Nimonic 115 CMSX 4 Refractory metal silicides CMSX 10 In situ composites Single crystal alloys Cast alloys Wrought alloys Mo-Si-B Legierungen Option: Gerichtete Erstarrung?

3 2. Mögliche Herstellungswege T 3 T 2 T E Prozess II: Zonenschmelzen L+ 1 Liquid 1 E L Schematisches Phasendiagramm Prozess I: Mechanisches Legieren+ Kompaktierung (PM) T 1 Legierung Mo Mo-basierte Phase

4 2. Mögliche Herstellungswege Pulvermetallurgie (PM) Mechanisch legierte Pulver (MA) Zonenschmelzen (ZM) Pulvermischung Kaltisostatisches Pressen (CIP) Sintern Kaltpressen Heißisostatisches Pressen (HIP) Gerichtete Erstarrung Probenfertigung Probenfertigung

5 Mo-6Si-5B (PM) Mo-9Si-8B (PM) kontinuierliche Mo ss -Matrix (bis zu 50 vol.% intermetallische Phasen) 10 µm 10 µm 1. Ansatz: Gleiche Zusammensetzungen wie typische PM-Legierungen Mo-6Si-5B (ZM) 20 µm 20 µm Mo-9Si-8B (ZM) intermetallische Matrix

6 Ergebnisse von 3-Punkt-Biegeversuchen Spannung [MPa] C PM Mo-6Si-5B ZM Mo-6Si-5B PM Mo-9Si-8B ZM Mo-6Si-8B 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1, Dehnung Bei beiden Mo-6Si-5B-Varianten (mit hohem Mo-Mischkristallanteil) wurden erste Ansätze plastischer Verformbarkeit bei ~ 800 MPa detektiert PM Mo-9Si-8B weist eine hohe Biegefestigkeit von etwa 1,2 GPa auf, bricht aber spröde Ursache: hoher Volumenbruchteil an intermetallischen Phasen

7 Oxidationsverhalten von Mo-9Si-8B nach 100 Stunden bei 1100 C PM - Ausbildung einer kontinuierlichen Borosilikatglasschicht - Schichtdicke: ~ 7 µm möglich durch feine Mikrostruktur ZM - diskontinuierliche Glasschichtbildung unvollständiger Oxidationsschutz - durch Verdampfen von MoO 3 entsteht eine zerklüftete Oberfläche SiO 2 -B 2 O 3 50 µm

8 2. Ansatz: Gerichtet Erstarrung von eutektischen Legierungen Entwicklungsziel: gerichtete faserverstärkte feinkörnige Mikrostrukturen Beispiel: NiAl-Mo T 3 T 2 T E Liquid L+ 1 E L T 1 Mo Mo-basierte Phase [Bei, George, 2005 Haenschke et al. 2010]

9 2. Ansatz: (nah-)eutektische dreiphasige Legierungen typische Mo-Si-B- Legierung (aus PM Herstellung) nah-eutektische Mo-Si-B- Legierung -Mo + Mo 5 SiB 2 + Mo 3 Si Berechnet mit Unterstützung von Florian Gang, KIT, Karlsruhe Mo Si Konzentration 20 µm 20 µm

10 ZM Mo-9Si-8B Wachstumsrichtung ZM nah-eutektische Mo-Si-B Legierung Wachstumsrichtung Querschliff Querschliff

11 ZM Mo-9Si-8B ZM nah-eutektische Mo-Si-B-Legierung CT-Analyse CT-Analyse

12 Übergangstemperatur C [Northcott 1956] Die Sauerstoffkonzentration wirkt sich signifikant auf die Übergangstemperatur aus Konzentration [%] Nah-eutektische Legierungen weisen die geringste Sauerstoffkonzentration auf O 2 Konzentration [ppm] Mo-6Si-5B 3mm/min Mo-6Si-8B 3mm/min Mo-9Si-15B 1mm/min near eutectic Mo-Si-B 1mm/min 0 1

13 C time [h] Zeit [h] nah-eutektische Mo-Si-B-Legierung Masseveränderung [mg/cm³] [mg/cm²] mass change Ausgangszustand nach 37 h nach 42 h 2 mm ZM Mo-6Si-5B ZM Mo-9Si-8B ZM nah-eutektisches Mo-Si-B

14 Minimale oder sekundäre Kriechrate, s -1 1,0E ,0E ,0E ,0E ,0E ,0E ,0E ,0E C CMSX-4 1,0E Spannung, MPa Mo [Frost, Ashby] ZM Mo-9Si-8B PM Mo-9Si-8B ZM nah-eutektisches Mo-Si-B Beste Kriechbeständigkeit

15 4. Zusammenfassung 1. Ansatz: Aus PM-Herstellung übernommene Legierungszusammensetzungen führten zu grobkörnigen Mikrostrukturen Oxidationsverhalten ZM-Legierungen der ersten Generation zeigen ähnliche BDTT-Werte und Kriecheigenschaften (bei 1100 C) wie PM-Legierungen Nah-eutektische Legierungen (2. ZM-Generation) weisen feinere Mikrostrukturen mit faserartigen Bereichen auf Legierungen der 2. ZM-Generation weisen außerdem geringe Sauerstoffkonzentrationen keine mittels CT detektierbare Porosität hervorragendes Oxidationsverhalten gute Kriechresistenz (2 Größenordnungen besser als CMSX-4) auf