Characterisation of the Oxidation and Creep Behaviour of Novel Mo-Si-Ti Alloys

Um den Anforderungen zur Effizienzsteigerung und Umsetzung von Nachhaltigkeitsstrategien für Anwendungen im Hochtemperaturbereich gerecht zu werden, steigt die Notwendigkeit, das Eigenschaftsprofil der eingesetzten Konstruktionswerkstoffe weiter zu verbessern. Da typische, kommerziell eingesetzte Ni-Basis-Superlegierungen bereits aufgrund der Löslichkeitstemperatur der 𝛾‘ Verstärkungsphase an ihre Einsatzgrenze stoßen, ist die Entwicklung von neuen Hochtemperaturwerkstoffen für den Einsatz mit möglichen Oberflächentemperaturen oberhalb von 1100 °C unabdingbar. Die Legierungsentwicklung steht jedoch vor der Herausforderung, eine ausreichende Oxidationsbeständigkeit mit einer guten Kriechbeständigkeit zu kombinieren. ... mehrIn dieser Hinsicht erweisen sich Ti-makrolegierte Mo-Si-basierte Legierungen dank ihrer hohen Solidustemperatur im Bereich von 1800 °C und darüber bei deutlich geringeren Dichten von 6 bis 7 g/cm3 im Vergleich zu Ni-Basis-Superlegierungen als vielversprechend. Von Nachteil ist jedoch das katastrophale Oxidationsverhalten bei Temperaturen unterhalb von 1000 °C. Aufgrund der Bildung von flüchtigem MoO3 kommt es zu hohen Massenverlusten innerhalb kürzester Zeit. Dieses Phänomen wird als Pesting bezeichnet und ist bekannt dafür, bei reinem Molybdän und seinen Legierungen aufzutreten. In den neu entwickelten Mo-Si-Ti Legierungen kann dieses Pesting Verhalten jedoch unterbunden werden, wenn ein nomineller Ti-Gehalt von mindestens 40 bis 43 at% überschritten und gleichzeitig ein Si-Gehalt im Bereich von 20 bis 26 at% eingestellt wird. Diese Legierungen zeichnen sich durch feinstrukturierte eutektische bzw. eutektisch-eutektoide Gefüge aus. Das Eutektikum besteht aus Mo-Mischkristall MoSS und (Ti,Mo)5Si3, während die eutektoide Reaktion in MoSS und (Mo,Ti)5Si3 resultiert. Das Zusammenspiel aus dem Ti-reichen MoSS und den M5Si3 Silizidphasen ermöglicht die Bildung von Ti-Si-Oxidschichten, die die Abdampfung von MoO3 deutlich erschweren und starke Massenveränderungen verhindern. Bei hohen Temperaturen von 1200 °C liegt ebenfalls eine gute Oxidationsbeständigkeit vor. Das Verhältnis von Mo zu Ti ist jedoch nicht nur für die Oxidationsbeständigkeit ausschlaggebend, sondern auch für das Kriechverhalten, das stark mit der Solidustemperatur der Legierungen korreliert. Insofern führt die Maximierung des Mo-Gehaltes zur maximalen Ausnutzung des Kriechpotentials bei gleichzeitiger Einhaltung des notwendigen Ti-Gehaltes für Pesting Stabilität. Wird der Erstarrungsverlauf jedoch gezielt manipuliert, so dass (Mo,Ti)5Si3 als Verstärkungsphase primär erstarrt, so kann die Kriechbeständigkeit durch zusätzliche Erhöhung der Solidustemperatur, bei gleichzeitiger Beibehaltung der Pesting Stabilität, weiter verbessert werden.

The performance of high-temperature materials has to be continuously improved in order to meet the demands for more efficiency and sustainability in structural high-temperature applications, like gas turbines. Since commercially applied, state-of-the-art Ni-based superalloys are already operating at their limits, due to the restriction by the solvus temperature of the strengthening 𝛾’ phase, the development of alternative materials is deemed mandatory. Hence, high-temperature materials enabling surface temperatures beyond 1100 °C during operation are targeted. Alloy design and selection especially face challenges in the development of both, chemical and mechanical resistance. ... mehrIn this regard, an adequate oxidation and sufficient creep resistance are of particular interest. Ti macro-alloyed Mo-Si-based alloys have shown promising potential because of their high solidus temperatures in the range of 1800 °C and beyond as well as considerably reduced density down to 6 to 7 g/cm3, which is in striking contrast to typically 8.7 g/cm3 of Ni-based superalloys. However, these alloys typically undergo catastrophic oxidation at temperatures below 1000 °C due to volatilisation of MoO3 leading to rapid mass loss. This phenomenon is well-known as pesting and is observed for pure Mo and Mo-based alloys. Nevertheless, in this work, pesting stability is achieved at 800 °C in novel eutectic and eutectic-eutectoid Mo-Si-Ti alloys, when a threshold concentration of nominal 40 to 43 at% Ti is exceeded, while the Si content is kept between 20 to 26 at%. These alloys are characterised by fine-scaled microstructures, consisting of Mo solid solution MoSS and (Ti,Mo)5Si3 (eutectic) and/or MoSS and (Mo,Ti)5Si3 (eutectoid). The excellent oxidation behaviour is attributed to the high Ti content dissolved in MoSS enabling the formation of solid Ti-oxide, while retarding the evaporation of MoO3. Combined with around 50 vol% of M5Si3 type silicide phases, thin mixed Ti-Si-oxide scales are formed, ensuring low mass changes. The oxidation resistance is maintained up to 1200 °C. Besides the importance of the Mo to Ti ratio for the pesting resistance, the ratio is decisive for the attained creep resistance, which is found to be solidus temperature-dependent. Thus, the Mo content needs to be maximised while meeting the Ti threshold. A further increase in solidus temperature is achieved by triggering primary solidification of (Mo,Ti)5Si3. The resulting alloys comprise up to 30 vol% primarily solidified (Mo,Ti)5Si3 and exhibit the best creep performance among all pesting-resistant Mo-Si-Ti alloys developed in this work.