Microstructural and mechanical characterisation of cast Fe-Al-Mo-Ti-B alloys

Mit dem verstärkten Einsatz erneuerbarer Energien werden weiterhin Kraftwerkstechnologien und Turbomaschinenkomponenten für eine effiziente Rückwandlung von Energie aus Langzeitspeichern benötigt. Die Erhöhung der thermischen Effizienz durch neue Arbeitsmedien erfordern zukünftig eine höhere Korrosionsbeständigkeit der eingesetzten Werkstoffe bei gleicher mechanischer Leistung, Verarbeitbarkeit und Kosten. Intermetallische Eisenaluminid-Legierungen mit hervorragender Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit und guten Hochtemperatureigenschaften sind mögliche Alternativen zu hochlegierten P92-Stählen für den Einsatz in strukturellen Hochtemperaturanwendungen. ... mehrZur Ableitung von genormten Werkstoffdaten wurde eine im Schleudergussverfahren hergestellte Fe-25Al-3,7Mo-0,4Ti-1B-Mischkristalllegierung mit eutektischer Partikelhärtung hinsichtlich Mikrostruktur, thermophysikalischer und mechanischer Eigenschaften unter quasistatischer Zug- und Kriechbeanspruchung bis 700 °C charakterisiert. Im Vergleich zu P92-Stahl zeigte die Legierung eine höhere Zugfestigkeit über 550 °C und geringere Kriechraten bei 650 °C, wenn die Spannungen 170 MPa übersteigen. Bei niedrigeren Temperaturen waren die mechanischen Eigenschaften jedoch gegenüber P92-Stahl und verwandten Fe-Al-Mo-Ti-B-Legierungen unterlegen, was mit hohen Korngrößen, einer hohen Neigung zu Oberflächen- und Volumenrissen und einem starken Einfluss der Zug-Druck-Asymmetrie in Verbindung gebracht wurde. In weiteren Untersuchungen zur Legierungszusammensetzung mit unterschiedlichen Al-, Mo- und B-Konzentrationen wurde eine nicht-lineare Beziehung zwischen der Mischkristallhärtung und der gelösten Mo-Konzentration festgestellt. In diesem Zusammenhang war die Halbierung der Mo-Konzentration die wirksamste Maßnahme zur Verringerung der Sprödigkeit ohne Verringerung der Festigkeit bei Raum- und erhöhten Temperaturen. Höhere Erstarrungsgeschwindigkeiten und Kornfeinung wirkten sich positiv auf die Zugfestigkeit bei Raumtemperatur aus, konnten aber im Feinguss nicht erreicht werden. Dilatometrie- und Härtemessungen deuteten auf eine geringe thermische Leerstellenhärtung hin, die weniger empfindlich auf das Niedertemperaturglühen reagierte als bei B2-FeAl-Legierungen. Obwohl die mechanischen Eigenschaften bis 550 °C durch Anpassung der Zusammensetzung und der Prozessparameter erheblich verbessert werden konnten, blieb die Duktilität bei Raumtemperatur grundsätzlich unter 1 %, was erhebliche Konstruktionsmargen für Bauteile aus Fe-Al-Mo-Ti-B-Legierungen bedingt. Trotz der Grenzen von Legierung und Gießverfahren werden die gewonnenen Erkenntnisse dazu beitragen, künftige Forschungsschwerpunkte zu setzen, um kostengünstige, mehrkomponentige Fe$_3$Al-Legierungen für strukturelle Hochtemperaturanwendungen zu entwickeln.

With the advent of variable renewable energies, long-term energy storage capacities and flexible power generation technologies will be required for reliable grid stability. Hence, power plant technologies and turbomachinery components will continue to be developed and employed for efficient re-conversion of stored energy. With the introduction of new working fluids for higher thermal efficiencies, the working conditions of exposed components and materials will require higher corrosion resistance, but with the same mechanical performance, manufacturability and cost. Intermetallic iron aluminide alloys with their outstanding oxidation and corrosion resistance and good high-temperature properties depict a possible candidate for use in high-temperature structural applications. ... mehrA quinary Fe-26Al-4Mo-0.5Ti-1B solid-solution alloy with eutectic particle hardening particularly demonstrated competitive mechanical properties compared to high-alloy P92 steels in previous studies. To derive standard material specifications with industrially relevant casting strategies, centrifugal investment-cast Fe-25Al-3.7Mo-0.4Ti-1B was characterised with respect to microstructure, thermophysical properties and mechanical properties under quasi-static tensile and creep loading up to 700 °C. Compared to P92 steel, the alloy demonstrated superior tensile strength above 550 °C and lower creep rates at 650 °C if stresses increase above 170 MPa. At lower temperatures though, the mechanical properties were inferior to P92 steel and related Fe-Al-Mo-Ti-B alloys, which was correlated to large grain sizes, a high tendency to surface and bulk cracking and a pronounced effect of tension-compression asymmetry. In further studies on alloy composition with varying Al, Mo and B concentration, a non-linear relationship of solid-solution hardening with solute Mo concentration was found. In this regard, halving Mo was the most effective measure for reducing brittleness without decreasing strength at room and elevated temperatures. Higher solidification rates and grain refinement down to 30 µm by die casting had a positive effect on ambient tensile strength, but were not achievable by investment casting. Dilatometry and hardness measurements indicated a low thermal vacancy hardening effect which was less sensitive to low-temperature annealing than in B2 FeAl alloys. Although mechanical properties up to 550 °C could be considerably improved by alloy development and processing, ductility at room temperature generally remained below 1%, necessitating substantial design margins for components from Fe-Al-Mo-Ti-B alloys. Despite the inherent limitations of alloy and casting process, the gained insights will help to prioritise future areas of research to mature cost-effective higher-order Fe$_3$Al alloys for high-temperature structural applications.