Creep and oxidation behavior of eutectic and eutectoid microstructures in Molybdenum-Silicon-Titanium alloys

Werkstoffe für höchste Einsatztemperaturen spielen als Materialien für Turbinenschaufeln in Gasturbinen eine herausragende Rolle. Gängige Eisen (Fe)- und Nickel (Ni)-basierte Hochtemperaturmaterialien haben jedoch deutliche Nachteile wie Phaseninstabilität und niedrige Schmelztemperaturen. Um steigenden Leistungsanforderungen zu begegnen, müssen neue Hochtemperaturmaterialien entwickelt werden.
Mo-basierte Legierungen aus dem Mo-Si-Ti System gelten aufgrund ihrer Dichte und Schmelzpunkte als vielversprechende Materialien. Daher wurden in dieser Arbeit Mo-Si-Ti Legierungen in Hinblick auf Verarbeitung, Mikrostruktur und Eigenschaften im Hochtemperaturbereich untersucht. Im Einzelnen wurden geeignete Zusammensetzungen für die Bildung eutektoider und eutektischer Mo-Si-Ti Gefüge identifiziert und deren Gefüge analysiert. Des Weiteren wurde ihr Kriech- und Oxidationsverhalten systematisch untersucht.
Eine geeignete eutektische Mikrostruktur aus (Mo, Ti, Si) + (Ti, Mo)5Si3 wurde bei der Zusammensetzung Mo27.2-Si20.0-Ti52.8 (at.%, E5) gefunden, welche über ein fast ausschließlich eutektisches Gefüge (96.1 vol.%) verfügt. Als geeignete Zusammensetzung für die Bildung eines ausschließlich eutektoiden Gefüges zeigte sich Mo45-Si21-Ti34 (at.%, X5). ... mehrZur vollständigen Umwandlung des Gefüges ist eine Wärmebehandlung bei 1300°C und 200 h notwendig. Der Volumengehalt des eutektoiden Gefüges in dieser Legierung erreichte 99 vol.%.
Das Kriechverhalten beider Legierungen wurde hinsichtlich seiner Last- und Temperaturabhängigkeit untersucht, um die zugrundeliegenden Mechanismen aufzuklären bzw. die am Kriechprozess partizipierenden Phasen zu identifizieren. Der Anstieg der Kriechgeschwindigkeit beider Legierungen bei zunehmender Last konnte anhand eines Spannungsexponenten von knapp 3.5 beschrieben werden und deutet demnach auf durch Versetzungsklettern bestimmtes Kriechen hin. Der Temperatureinfluss auf das Kriechverhalten liefert bei 200 MPa Belastung eine Aktivierungsenergie von knapp 460 bis 470 kJ/mol, was in jedem Fall geringer ist als die aus der Literatur bekannten 510 kJ/mol [Mason and Van Aken, 1995] für einkristallines Mo5Si3 und höher als 350 ± 20 kJ/mol für Ti5Si3 [Rosenkranz et al., 1992]. Es kann geschlussfolgert werden, dass(Mo, Ti, Si) und (Ti, Mo)5Si3 in E5 durch ihren geringen Kriechwiderstand für die signifikant höhere Kriechrate dieser Legierung verantwortlich sind. Im Gegensatz dazu scheint in X5 lediglich (Mo, Ti, Si) zum Kriechen beizutragen, während (Mo, Ti)5Si3 keinen wesentlichen Beitrag zum Kriechen im untersuchten Spannungs- und Temperaturbereich liefert. In Bezug auf das Oxidationsverhalten wurde festgestellt, bei 800°C und 100 h zeigt E5 allerdings eine bessere Oxidationsbeständigkeit als X5. Die Untersuchung der Oberflächen bzw. Querschnitte beider Legierungen führen zu dem Resultat, dass die höhere Oxidationsbeständigkeit von E5 gegenüber X5 bei 800°C maßgeblich auf die höhere Oxidationsbeständigkeit der (Ti, Mo)5Si3 Phase in E5 zurückzuführen ist. Demgegenüber kann die Silizidphase (Mo, Ti)5Si3 in X5 nicht zur Bildung einer schützenden Oxidschicht bei dieser Temperatur beitragen. Darüber hinaus wurden Versuche zur Verbesserung des Oxidationsverhaltens von X5 bei 800°C durchgeführt. Eine bewusst herbeigeführte Voroxidation von X5 bei 1100°C für 10 h in Luft führte zu einer signifikanten Verbesserung des zyklischen Oxidationsverhaltens bei 800°C.
Die weiterführende Optimierung der entstandenen Gefüge durch gerichtete Erstarrung wurde hinsichtlich verschiedener technologischer Probleme untersucht. Im Fall von E5 schränkt ein ausgedehntes Erstarrungsintervall von knapp 600 K unter Nichtgleichgewichtsbedingungen die gerichtete Erstarrung deutlich ein, da ein entsprechender Temperaturgradient zur Unterkühlung der Schmelze technologisch nicht zu erreichen ist. Demzufolge ist unter realen Bedingungen keine stabile Gefügeausbildung und somit auch keine Ausrichtung des Gefüges zu erreichen. Im Falle von X5 wird die Prozessierbarkeit aktuell noch durch Schwierigkeiten bei der schmelzmetallurgischen Herstellung von Halbzeugen für die gerichtete Erstarrung erschwert. Der Umweg über pulvermetallurgische Halbzeuge zeigt die prinzipielle Eignung der gerichtete Erstarrung von (Mo, Ti)3Si und ihrer anschließenden Umwandlung zu (Mo, Ti, Si) + (Mo, Ti)5Si3.