Herstellung, Charakterisierung und Optimierung von austenitischen ODS Stählen

Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung eines skalierbaren und reproduzier-baren pulvermetallurgischen Herstellungs¬prozesses für austenitische oxid dispersions-verstärkte (ODS) Stähle sowie die Charakterisierung und Korrelation der Mikrostruktur mit den makroskopischen Eigenschaften. Dafür wurde ein neuartiges zweistufiges Mahlverfahren eingeführt, welches die Pulverausbeute von 3 auf 100 % erhöht. Bei diesem Prozess werden in einem ersten Mahlschritt Ferrit- und Yttriumpulver zu ferritischem ODS Stahlpulver mechanisch legiert, bevor in einem zweiten Schritt Nickelpulver hinzugefügt wird. ... mehrDie Analyse des Pulvers durch die Pulverdiffraktometrie ermöglichte die Bestimmung und Entwicklung der Versetzungsdichte und Phasenum¬wandlung in Abhängigkeit von der Dauer des mechanischen Legierens. Daraus konnte eine optimale Dauer von 20 Stunden für den ersten Mahlschritt und eine ausreichende Mahldauer von 15 Stunden für den zweiten Schritt ermittelt werden. Mit der Röntgenabsorptions¬spektro-skopie und einer neu ent¬wickelten Präparations¬methode von Proben für die Transmissions¬elektronen¬mikro¬skopie (TEM) wurden die im Pulver ablaufenden Prozesse im Verlauf des mechanischen Legierens und anschließenden Glühens ausführlich analysiert. Weiterhin wurde durch die Variation der chemischen Zusammensetzung der Einfluss von Titan, Zirkonium und Kohlenstoff auf die Mikrostruktur ermittelt. Titan unterstützt die Ausscheidungsbildung von fein verteilten, 2-10 nm großen teilkohärenten Teilchen, wohingegen Zirkonium und Kohlenstoff wesentlich größere Ausscheidungen mit Yttrium, Titan oder Chrom bilden und die Mikrostruktur bei Wärmebehandlungen von 1100 °C destabilisiert. Es wurde festgestellt, dass die Zugabe von kohlen¬stoffreichen sogenannten prozess-kontrollierenden Mitteln (PCA) während des mecha¬nischen Legierens keinen direkten Einfluss auf die Bildung der ODS Partikel im Pulver hat, jedoch die thermische Stabilität der Teilchen auf Grund des Einbringens von Kohlenstoff verändert. Die Anwesenheit von Kohlenstoff führt dabei zur Auflösung der Y2Ti2O7 Partikel und zur Ausbildung von Y2O3 und TiC / Ti2O3 Partikeln bei Temperaturen von 1100 °C. Bei Legierungen ohne Verunreinigungen konnte durch Wärmebehandlungen von 100 Stunden bei 1100 °C die Korn- und Partikelgrößenstabilität nachgewiesen werden. Auch der Sauerstoffanteil hat eine enorme Auswirkung auf die Mikrostruktur: Zu viel Sauerstoff führt zur Bildung von Chromoxiden, während zu wenig Sauerstoff die Bildung der ODS Partikel behindert. Weitere Untersuchungen bezüglich der Orientierungs¬beziehung der ODS Partikel und der austenitischer Matrix wurden mittels TEM und Atomsondentomographie durchgeführt. Diese zeigten unter anderem, dass die Fehlpassung der Netzebenen der Y2Ti2O7 Partikel und der Matrix in bestimmten Orientierungen nur 5,63 % beträgt und damit eine kohärente bzw. semi-kohärente Orientierungsbeziehung begünstigt. Ins¬gesamt wurden fünf heißgewalzte Bleche und acht direkt extrudierte Stäbe hergestellt. Bei einer technischen Machbarkeitsstudie wurde zudem das weltweit erste direkt extrudierte austenitische ODS Rohr produziert. Die mit dem neuen zweistufigen Verfahren und der Verwendung von Stickstoffgas als PCA hergestellten Legierungen zeigten im Zugversuch bei 700 °C eine enorm hohe Duktilität (circa 60 % Bruchdehnung) und eine hohe Zugfestigkeit von circa 280 MPa. Durch die Korrelation der mechanischen Eigenschaften mit der Mikrostruktur konnte gezeigt werden, dass die Verfestigung durch Partikel den größten Anteil (40 bis 55 %) an der Steigerung der mechanischen Eigenschaften hat.
Eine Diskussion und Bewertung der Ergebnisse schließen die Arbeit ab.

The target of this work was to develop a reproducible and scalable powder metallurgical process for austenitic ODS steels and to advance the understanding of the correlation between microstructure and macroscopic material properties. In this work, a novel two-step mechanical alloying process was developed and established to increase the powder production yield from 3 to 100 %. During the first milling step, a ferritic pre-alloy was blended and mechanical alloyed with yttrium powder to produce a ferritic ODS steel powder. During the second step, the ferritic ODS powder was then mechanical alloyed with elemental nickel powder to produce the austenitic ODS steel. ... mehrThe dislocation density and the phase shift during milling were examined by X-ray powder diffraction methods to determine the optimum milling duration of 20 hours for the first milling step and 15 hours for the second milling step. X-ray absorption spectroscopy and transmission electron microscopy (TEM) methods were applied to observe the ongoing changes inside the powder particles at various stages of milling and subsequent annealing. The influence of the variation of the chemical composition, particularly the content of titanium, zirconium, and carbon, on the evolution of the microstructure was investigated. Titanium supports the formation of small, homogenously distributed, semi-coherent particles, with a size of 2 to 10 nm, whereby zirconium or carbon destabilizes the microstructure at temperatures higher than 1100 °C. It was revealed that the addition of a carbon containing a so-called “process controlling agent” (PCA) to the milling process has no direct impact on the formation of ODS particles, but changes their thermal stability due to the introduction of carbon. Carbon leads to a dissolution of the preferred Y2Ti2O7 particles into Y2O3 and TiC / Ti2O3 precipitates at temperatures of 1100 °C. However, it was shown that alloys without carbon impurities exhibited no change in the microstructure after a heat treatment at 1100 °C for 100 hours. An unbalanced oxygen content also changes the microstructure significantly: too much oxygen supports the formation of chromium oxides, whereas too less oxygen hinders the formation of ODS particles. Further investigations on the orientation relationship and the structure of ODS particles in powders and near-net shape products were carried out using atom probe tomography and TEM methods. These investigations have shown among other things, that Y2Ti2O7 precipitates and the austenitic matrix have a small lattice mismatch of only 5,63 % in certain orientations, which contributes to the formation of a preferred coherent or semi-coherent relationship. In this work, five hot-rolled sheets and eight directly extruded rods have been manufactured using the developed two-step process and investigated as described above. Furthermore, a technical study was successfully conducted to produce the worldwide first austenitic ODS tube. The process optimization, due to the implementation of the two-step milling and the use of nitrogen as a PCA, led to the production of alloys that exhibited outstanding properties at 700 °C in tensile test. A ductility of almost 70 % and an ultimate tensile strength of 280 MPa were measured. Correlations of the mechanical properties and the microstructures have shown that precipitate hardening is the key factor to increase the mechanical properties. An outstanding high amount of 40 – 55 % of the measured yield strength was contributed by precipitation hardening.
A discussion and evaluation of the results complete this work.