title: Segregation‐assisted deformation behavior of CoNi‐based superalloys: elementary mechanisms and strengthening effects
title: Segregationsunterstütztes Verformungsverhalten von CoNi‐basierten Superlegierungen: Elementare Mechanismen und Härtungseffekte
Creators: name: Bezold, Andreas
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2024
Subjects: subject: Segregation
subject: Kriechen
subject: Elektronenmikroskopie
subject: Superlegierung
subject: Verformungsmechanismen
subject: DDC Classification::6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::62 Ingenieurwissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Bereiche

description: In this thesis, the elevated temperature deformation behavior of compositionally complex CoNi‐based superalloys was investigated with special emphasis on the role of solute segregation processes. Detailed deformation mechanism maps were created for polycrystalline and single‐crystalline alloys, which revealed the transition from athermal to segregation‐assisted deformation mechanisms with increasing temperature and plastic strain as well as decreasing strain‐rate. This transition is caused by segregation‐assisted pinning of matrix dislocations at matrix‐precipitate interfaces, which inhibits the athermal deformation mechanisms and also induces an anomalous increase of the yield strength. The type of occurring segregation‐assisted mechanism strongly differs depending on the alloy’s composition. Alloys with high anti‐phase boundary energies were found to deform under stacking fault‐based mechanisms. While stacking fault‐based mechanisms were determined to provide the highest creep resistance in this alloy system, associated detrimental deformation modes such as microtwinning have to be mitigated. In the most creep‐resistant investigated alloy, a beneficial solute segregation and phase transformation behavior along the stacking faults transforms these defects to locally confined ordered phases, thereby inhibiting the detrimental deformation modes. A systematic investigation of kinetic and thermodynamic aspects of solute segregation revealed that stacking faults are initially enriched by matrix‐forming elements after their formation. This initial more matrix‐like composition along the stacking faults opens a window of opportunity for the detrimental deformation modes until sufficient segregation can occur and they evolve compositionally to their corresponding hexagonal ordered bulk phase. Besides this phase transformation strengthening mechanism, the introduction of a high density of segregated stacking faults via predeformation was also found to significantly improve the yield and creep strength of CoNi‐based superalloys at temperatures of 750 °C and below. This strengthening effect is diminished at higher temperatures as stacking faults do not represent effective barriers anymore and also begin to rapidly recover. Based on the obtained results, the concept of a mechanism‐based alloy design for maximum creep resistance in polycrystalline superalloys is introduced. This concept focuses on triggering stacking fault shearing, while simultaneously reducing their propagation velocity and suppressing the occurrence of associated detrimental deformation modes. For such optimized CoNi‐based superalloys, a fine‐grained microstructure and the presence of fine tertiary precipitates was found to lead to superior creep properties.
description: Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Verformungsverhalten von CoNi‐basierten Superlegierungen untersucht, wobei besonderer Fokus auf die Rolle von Segregationsprozessen gelegt wurde. Detaillierte Verformungsmechanismenkarten wurden für poly‐ und einkristalline Superlegierungen erstellt, welche systematisch den Wechsel von athermischen zu segregationsunterstützten Verformungsmechanismen mit steigenden Temperaturen, höheren Verformungen und langsameren Dehnraten aufzeigen. Dieser Wechsel wird durch ein segregationsunterstütztes Pinnen von Matrixversetzungen an Matrix/Ausscheidungsgrenzflächen verursacht, welches das Auftreten von athermischen Mechanismen verhindert und außerdem eine neue Art von Fließspannungsanomalie auslöst. Die Art des segregationsunterstützten Mechanismus hängt stark von der Legierungszusammensetzung ab, wobei Legierungen mit hohen Antiphasengrenzflächenenergien unter Stapelfehlerscherung verformen. Obwohl die Scherung unter Stapelfehlerbildung als kriechfestester Mechanismus in diesem Legierungssystem identifiziert werden konnte, müssen füreine optimale Kriechfestigkeit nachteilige Mechanis‐ men, wie zum Beispiel Mikroverzwilligung, verhindert werden. In der kriechfestesten Legierung führt ein vorteilhaftes Segregations‐ und Phasentransformationsverhalten entlang der Stapelfehler zu einer Umwandlung dieser Defekte in geordnete Phasen, welche das Auftreten der nachteiligen Mechanismen verhindern. Direkt nach ihrer Bildung sind Stapelfehler allerdings an matrixformenden Elementen angereichert. Diese anfängliche, eher matrixähnliche Zusammensetzung entlang der Stapelfehler eröffnet ein Zeitfenster für die schädlichen Mechanismen bis Segregation in ausreichendem Maße stattfinden kann und sie sich zu ihren entsprechenden hexagonal geordneten Bulkphasen transformieren können. Neben diesem Verfestigungsmechanismus kann die Fließ‐ und Kriechfestigkeit von CoNi‐basis Superlegierungen bei Temperaturen unterhalb von 750 °C auch signifikant durch das Einbringen einer hohen Dichte an segregierten Stapelfehlern erhöht werden. DieserVerfestigungsmechanismus ist allerdings bei hohen Temperaturen vernachlässigbar, da Stapelfehler keine effektiven Barrieren mehr darstellen und anfangen sich zu erholen. Basierend auf den erzielten Ergebnissen wird das Konzept eines Mechanismus‐basierten Legierungsdesigns für maximale Kriechfestigkeit in polykristallinen Superlegierungen eingeführt. Hierbei wird Stapelfehlerscherung als dominanter Verformungsmechanismus eingestellt, während simultan die Ausbreitungsgeschwindigkeit dieser Defekte verringert und das Auftreten nachteiliger Mechanismen verhindert wird. Für solch optimierte CoNi‐basis Superlegierungen führen feinkörnige Mikrostrukturen und die Präsenz von feinen tertiären Ausscheidungen zu den höchsten Kriechfestigkeiten.