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

Werkstoffe fur hochste Einsatztemperaturen spielen als Materialien fur Turbinenschaufeln in Gasturbinen eine herausragende Rolle. Gangige Eisen (Fe)- und Nickel (Ni)-basierte Hochtemperaturmaterialien haben jedoch deutliche Nachteile wie Phaseninstabilitat und niedrige Schmelztemperaturen. Um steigenden Leistungsanforderungen zu begegnen, mussen 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 fur die Bildung eutektoider und eutektischer Mo-Si-Ti Gefuge identifiziert und deren Gefuge 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 uber ein fast ausschlieslich eutektisches Gefuge (96.1 vol.%) verfugt. Als geeignete Zusammensetzung fur die Bildung eines ausschlieslich eutektoiden Gefuges zeigte sich Mo45-Si21-Ti34 (at.%, X5). Zur vollstandigen Umwandlung des Gefuges ist eine Warmebehandlung bei 1300°C und 200 h notwendig. Der Volumengehalt des eutektoiden Gefuges in dieser Legierung erreichte 99 vol.%. Das Kriechverhalten beider Legierungen wurde hinsichtlich seiner Last- und Temperaturabhangigkeit untersucht, um die zugrundeliegenden Mechanismen aufzuklaren 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] fur einkristallines Mo5Si3 und hoher als 350 ± 20 kJ/mol fur Ti5Si3 [Rosenkranz et al., 1992]. Es kann geschlussfolgert werden, dass(Mo, Ti, Si) und (Ti, Mo)5Si3 in E5 durch ihren geringen Kriechwiderstand fur die signifikant hohere Kriechrate dieser Legierung verantwortlich sind. Im Gegensatz dazu scheint in X5 lediglich (Mo, Ti, Si) zum Kriechen beizutragen, wahrend (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 Oxidationsbestandigkeit als X5. Die Untersuchung der Oberflachen bzw. Querschnitte beider Legierungen fuhren zu dem Resultat, dass die hohere Oxidationsbestandigkeit von E5 gegenuber X5 bei 800°C masgeblich auf die hohere Oxidationsbestandigkeit der (Ti, Mo)5Si3 Phase in E5 zuruckzufuhren ist. Demgegenuber kann die Silizidphase (Mo, Ti)5Si3 in X5 nicht zur Bildung einer schutzenden Oxidschicht bei dieser Temperatur beitragen. Daruber hinaus wurden Versuche zur Verbesserung des Oxidationsverhaltens von X5 bei 800°C durchgefuhrt. Eine bewusst herbeigefuhrte Voroxidation von X5 bei 1100°C fur 10 h in Luft fuhrte zu einer signifikanten Verbesserung des zyklischen Oxidationsverhaltens bei 800°C. Die weiterfuhrende Optimierung der entstandenen Gefuge durch gerichtete Erstarrung wurde hinsichtlich verschiedener technologischer Probleme untersucht. Im Fall von E5 schrankt ein ausgedehntes Erstarrungsintervall von knapp 600 K unter Nichtgleichgewichtsbedingungen die gerichtete Erstarrung deutlich ein, da ein entsprechender Temperaturgradient zur Unterkuhlung der Schmelze technologisch nicht zu erreichen ist. Demzufolge ist unter realen Bedingungen keine stabile Gefugeausbildung und somit auch keine Ausrichtung des Gefuges zu erreichen. Im Falle von X5 wird die Prozessierbarkeit aktuell noch durch Schwierigkeiten bei der schmelzmetallurgischen Herstellung von Halbzeugen fur die gerichtete Erstarrung erschwert. Der Umweg uber pulvermetallurgische Halbzeuge zeigt die prinzipielle Eignung der gerichtete Erstarrung von (Mo, Ti)3Si und ihrer anschliesenden Umwandlung zu (Mo, Ti, Si) + (Mo, Ti)5Si3.