Phasenumwandlungen zur systematischen Gefügeeinstellung mehrphasiger Ta-Mo-Ti-Cr-Al-Legierungen

Legierungen mit komplexer Zusammensetzung (CCA, engl. Compositionally Complex Alloys) sind durch nahe äquimolare oder äquimolare Zusammensetzung mit typischerweise vier bis sechs Elementen definiert. Im Gegensatz zu konventionellen Legierungen mit einem Basiselement erlauben die zusätzlichen Freiheitsgrade durch den erweiterten Zusammensetzungsbereich die Synthese von Legierungen mit einem außergewöhnlichen Eigenschaftsportfolio. Im Bereich der Konstruktionswerkstoffe für Hochtemperaturanwendungen weisen Zusammensetzungen von refraktärmetallbasierten CCA (RCCA) bereits in einigen Bereichen bessere Eigenschaften als Superlegierungen auf. ... mehrSo zeigt zum Beispiel die äquimolare TaMoTiCrAl-Legierung vielversprechende Oxidationseigenschaften bis 1500 °C, gleichzeitig jedoch unzureichende mechanische Eigenschaften bei tiefen Temperaturen. In zahlreichen untersuchten CCA konnte die beobachtete geringe plastische Verformbarkeit auf eine Kombination aus unerwünschten (intermetallischen) Phasen mit geordneten Kristallstrukturen der Matrix zurückgeführt werden.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit besteht darin, Legierungen aus dem System Ta-Mo-Ti-Cr-Al hinsichtlich ihres Gefüges, der Phasenumwandlungen sowie der mechanischen Eigenschaften zu charakterisieren. Durch Manipulation der Zusammensetzung sollen hierbei die Festkörperphasenumwandlungen hinsichtlich der Umwandlungstemperaturen und -pfade verändert werden, um ein optimiertes Gefüge für Hochtemperaturanwendungen einzustellen. Eine thermodynamische Datenbank wurde hierbei genutzt, um die zu erwarteten Phasenverteilungen bei unterschiedlichen Legierungszusammensetzungen und Temperaturen vorherzusagen.
Untersuchungen im System (100-x)(MoTiCr)-xAl (wobei x die Elementkonzentration in At.% ist) validierten die Annahme, dass sich der Ordnungsgrad der kubisch-raumzentrierten Kristallstruktur gezielt durch die Al-Konzentration in diesem System manipulieren lässt. Durch thermische Analysen konnte bei Legierungen mit x_Al > 10 At.% die Phasenumwandlung beim Abkühlen eines einphasigen A2- zu einem B2-Mischkristall mittels einer athermischen Festkörperphasenumwandlung zweiter Ordnung nachgewiesen werden. Der Einfluss der Kristallstruktur auf die mechanischen Eigenschaften wurde in dieser Arbeit durch quasistatische Druckversuche analysiert, in denen ein Zusammenhang zwischen Ordnung und plastischer Verformbarkeit verifiziert werden konnte.
Neben den einphasigen Legierungen wurden ebenfalls mehrphasige Legierungen mit einer Kombination aus A2- und B2-Kristallstruktur synthetisiert. So war es möglich durch gezielte Optimierungen der Cr-, Ti- und Al Konzentrationen unterschiedliche, mehrphasige Gefüge einzustellen. Hierbei zeigte sich, dass die Kristallstruktur der Matrix sowie der Ausscheidungen wesentlich durch die Al Konzentration bestimmt ist. Durch die Verringerung der Cr-Konzentration bleibt die Ausbildung der unerwünschten Laves-Phase an den Korngrenzen aus. Untersuchungen auf verschiedenen Längenskalen zeigten, dass die Phasen-umwandlung zur Ausscheidungsbildung der diffusionsgesteuerten, diskontinuierlichen Phasenumwandlung mit scharfen, bewegenden Grenzflächen mit den Stadien Keimbildung und Keimwachstum zuzuordnen ist.

Compositionally complex alloys (CCA) are defined by a near-equimolar or equimolar composition that typically contains four to six elements. In contrast to conventional alloys, which contain only a single principal element, the additional degrees of freedom of composition adjustment enable the synthesis of alloys with an exceptional property profile. In the field of high-temperature structural materials, compositions of refractory metal-based CCA (RCCA) have demonstrated superior key properties in some areas compared to commercially used superalloys. For example, the equimolar TaMoTiCrAl alloy exhibits promising oxidation resistance up to 1500 °C; however, this property is accompanied by compromised mechanical properties, including vanishing ductility at ambient temperatures. ... mehrIn many studies of CCA, low plastic deformability has been attributed to a combination of undesirable (intermetallic) phases as well as ordered crystal structures of the matrix.
The objective of the present work is to characterize alloys of the Ta-Mo-Ti-Cr-Al RCCA system according to their microstructure, phase transformations and mechanical properties. By varying the composition, the solid-state phase transformations should be modified in terms of transformation temperature and transformation pathway. A thermodynamic database was used to predict the expected phase stability ranges at different compositions and temperatures.
Investigations in the (100-x)(MoTiCr)-xAl system (where x is the atomic concentration in at.%) validated the assumption that the crystal structure can be manipulated by adjusting the Al concentration in this system. Thermal analysis revealed that the phase transformation from a single-phase A2 to B2 solid solution consists of a second-order athermal solid state phase transformation during cooling in alloys with x_Al > 10 at.%. The influence of the crystal structure on the mechanical properties was analyzed using quasi-static compression tests to verify a correlation of order and low plastic deformability.
In addition to the single-phase alloys, multiphase alloys were considered with a combination of A2 and B2 crystal structures. Accordingly, different multiphase microstructures were obtained by specific optimization of the Cr, Ti, and Al concentrations. The Al concentration was found to control the crystal structure of the matrix and the precipitates. In contrast, the formation of the undesirable Laves phase at the grain boundaries was prevented by reducing the Cr concentration. Investigations on multiple length scales found that the phase transformation that leads to the formation of particles, can be assigned to a diffusion-controlled, discontinuous precipitation process by nucleation and growth with a sharp, moving interface.