Was sind Hochtemperaturwerkstoffe?
Hochtemperaturwerkstoffe sind Werkstoffe, die auch unter extremen thermischen und mechanischen Bedingungen zuverlässig eingesetzt werden können. Sie kommen überall dort zum Einsatz, wo Bauteile hohen Temperaturen, Temperaturwechseln, mechanischen Lasten, Oxidation, Korrosion oder Verschleiß ausgesetzt sind. Typische Anwendungsfelder liegen beispielsweise in der Energie- und Antriebstechnik, im Maschinen- und Anlagenbau sowie in weiteren industriellen Hochleistungsanwendungen. Entscheidend ist dabei, dass die Werkstoffe ihre Festigkeit, Gefügestabilität und Funktionsfähigkeit auch über längere Einsatzzeiten hinweg behalten.
Im Mittelpunkt steht das Zusammenspiel von chemischer Zusammensetzung, Mikrostruktur, Herstellungsprozess und Einsatzbedingungen. Hochtemperaturbeständige Werkstoffe müssen Kriechverformung, thermischer Ermüdung, Oxidation und schädigenden Gefügeveränderungen möglichst lange widerstehen. Am Lehrstuhl für Materialkunde und Werkstoffprüfung untersuchen wir, wie sich Gefüge, Phasen, Ausscheidungen und Defekte unter hoher Temperatur verändern und welchen Einfluss diese Veränderungen auf die mechanischen und funktionalen Eigenschaften haben. Ziel ist es, Werkstoffe und Prozessrouten besser zu verstehen, gezielt zu bewerten und für anspruchsvolle Anwendungen weiterzuentwickeln.
Forschung am Lehrstuhl
Mikrostrukturen verstehen, Hochtemperatureigenschaften bewerten und Werkstoffe für extreme Einsatzbedingungen weiterentwickeln
Am Lehrstuhl für Materialkunde und Werkstoffprüfung betrachten wir Hochtemperaturwerkstoffe als Zusammenspiel von chemischer Zusammensetzung, Herstellungsprozess, Mikrostruktur und thermomechanischer Beanspruchung. Im Mittelpunkt steht die Frage, wie sich Gefüge, Phasen, Ausscheidungen und Defekte unter hohen Temperaturen verändern und wie diese Veränderungen die mechanischen und funktionalen Eigenschaften beeinflussen.
Dabei kombinieren wir werkstofftechnische Prüfverfahren mit metallographischer und mikroskopischer Charakterisierung. So lassen sich Zusammenhänge zwischen Werkstoffzustand, Temperaturbeständigkeit, Schädigungsverhalten und Bauteilzuverlässigkeit systematisch untersuchen. Ein besonderer Fokus liegt auf der Bewertung von Gefügestabilität, Oxidations- und Korrosionsverhalten sowie mechanischer Leistungsfähigkeit unter anspruchsvollen Einsatzbedingungen.
Methoden und Kompetenzen
Von der zyklischen Prüfung bis zur Bruchflächenanalyse
Bewertung von Festigkeit, Härte und Verformungsverhalten unter anwendungsnahen Bedingungen. Dadurch lassen sich Werkstoffzustand und Belastbarkeit gezielt einordnen.
Untersuchung der Beständigkeit gegenüber oxidierenden und korrosiven Umgebungen. Entscheidend ist, wie sich Schutzschichten bilden und unter Temperaturbelastung verändern.
Analyse von Rissbildung, Gefügeveränderungen und lokalen Schädigungsmechanismen. So können Ursachen für Eigenschaftsverlust und Bauteilversagen besser verstanden werden.
Analyse von Gefüge, Korngrenzen, Ausscheidungen, Oxidschichten und Defekten. So lassen sich strukturelle Veränderungen unter hohen Temperaturen gezielt bewerten.
Untersuchung temperaturabhängiger Phasen, Ausscheidungen und Umwandlungsprozesse. Im Fokus steht deren Einfluss auf Gefügestabilität und Werkstoffeigenschaften.
Bewertung des Einflusses von Temperatur-Zeit-Führungen auf Mikrostruktur, Härte und Beständigkeit. Ziel ist ein besseres Verständnis thermisch aktivierter Veränderungen.
Projekte im Themenfeld
Übersicht über Forschungsprojekte im Bereich innovativer Hochtemperaturwerkstoffe
Refraktärmetallbasierte Multikomponentenlegierungen (RHEAs) gelten als vielversprechende Kandidaten für Hochtemperaturanwendungen. RHEAs bestehen aus fünf oder mehr Elementen in nahezu äquiatomarer Konzentrationen. Die Legierung Ta-Mo-Cr-Ti-Al besitzt ein mehrphasiges Gefüge, welches sich aus einer geordneten B2-Matrix sowie einer intermetallischen Laves Phase zusammensetzt. Das Projekt zielt auf die Entwicklung von Legierungen im System Ta-Mo-Cr-Ti-Al mit einer A2 Matrix und großen Volumenanteilen an geordneten B2 Ausscheidungen ab um ausgewogene Eigenschaften in Bezug auf Duktilität bei Raumtemperatur, Kriechbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen und Oxidationsschutz zu erzielen. Um diese Ziele zu erreichen sind legierungstechnische Maßnahmen geplant, die darauf abzielen, die Ausbildung spröder intermetallischer Phasen zu unterdrücken und gleichzeitig die intrinsische Duktilität der Matrix zu erhöhen. Die Legierungsentwicklung basiert auf thermodynamischen Berechnungen sowie auf experimentellen Analysemethoden.
Um die Effizienz von Gasturbinen in Zukunft weiter steigern zu können, bedarf es neuer Hochtemperaturwerkstoffe mit verbessertem Temperaturpotential und geringerem spezifischen Gewicht. Mo-Si-B-Legierungen, die gute mechanische Hochtemperatureigenschaften besitzen, bieten bei diesen Anwendung ein hohes Potential. Es ist offensichtlich, dass SiO2-bildende Schutzschichten für Langzeiteinsätze benötigt werden. Werden diese Werkstoffe in der schnell strömenden Verbrennungsatmosphäre von Gasturbinen eingesetzt, muss SiO2 gegen Wasserdampfkorrosion mittels Environmental Barrier Coatings geschützt werden, was die Aufbringung einer entsprechenden keramischen EBC-Deckschicht erfordert. Ferner ist das Oxidationsverhalten des Substratmaterials bzw. seine Vorbehandlung soweit zu ertüchtigen, dass ein Abplatzen der Oxidationsschutzschicht nicht zu einem Totalausfall der Komponente führt. Das übergeordnete Ziel dieses Vorhabens ist demzufolge die Entwicklung einer technisch einsetzbaren Mo-Si-B-Ti-Legierung mitsamt einem Beschichtungssystem (Abbildung), das in einem breiten Temperaturbereich sowohl in trockenen als auch in feuchten Atmosphären einen dauerhaften Schutz bietet.
Hochtemperaturwerkstoffe sind in der Entwicklung von Flugzeuggasturbinen essenziell. Die gewählten Werkstoffe müssen bei Temperaturen von über 1000°C hohen mechanischen und korrosiven Beanspruchungen standhalten. Durch anwachsende Anforderungen, rücken Legierungen auf Basis von Refraktärmetallen immer mehr in den Fokus. Eine lukrative und interessante Alternative zu den bisher verwendeten Werkstoffen könnte das Element Vanadium bieten. Im Rahmen des Projektes soll ein umfassendes Verständnis des Systems Vanadium-Silizium-Bor gewonnen werden. Dies beinhaltet die Phasenentstehung und -umwandlung während der Erstarrung, sowie die Phasenstabilität und Umwandlungen im Gleichgewicht. Hierzu wurde eine thermodynamische Datenbank erstellt, welche in Wechselwirkung mit den gewonnenen Ergebnissen aus den verschiedenen Legierungen stetig optimiert und angepasst wird.
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