Verformungsinduzierte Ausscheidung intermetallischer Laves-Phase in hochwarmfesten ferritischen Stählen

Pöpperlová, Jana; Bleck, Wolfgang (Thesis advisor); Singheiser, Lorenz (Thesis advisor); Krupp, Ulrich (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021, 2022)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Kurzfassung

Einphasige, mittels Laves-Phase verfestigte, ferritische Stähle mit einem Chromgehalt von 17 Gew.-% weisen potenziell eine ausreichende Oxidations- und Kriechbeständigkeit bei hohen Temperaturen auf. Das Legieren mit Wolfram, Niob und Silizium ermöglicht, durch die mischkristall- und ausscheidungsverfestigende Wirkung die gewünschte Kombination einer hohen Oxidationsbeständigkeit und Kriechfestigkeit zu erreichen. Durch die Zugabe dieser Legierungselemente wird die Bildung verfestigender feinverteilter Ausscheidungen der intermetallischen (Fe,Si,Cr)2(W,Nb)-Laves-Phase gefördert. Die erreichbare Oxidations- und Kriechbeständigkeit bietet zahlreiche Hochtemperatur-Anwendungsgebiete, wie z.B. dampfführende Komponenten in Dampfkraftwerken oder thermische Energieumwandlungs- und Speichersysteme. Diese Dissertation befasst sich mit der Optimierung der chemischen Zusammensetzung sowie mit der Entwicklung eines innovativen thermomechanischen Herstellungsprozesses für hochchromhaltige hochwarmfeste Stähle, welcher die Prozesskosten im Vergleich zu dem konventionellen, rein thermischen Herstellungsprozess erheblich reduziert. Die Werkstoffweiterentwicklung erfolgte mithilfe thermodynamischer Berechnungen (ThermoCalc®) und experimenteller Ergebnisse aus Forschungsprojekten zur Entwicklung von HiperFer (High Performance Ferritic) Stählen am Institut für Eisenhüttenkunde der RWTH Aachen sowie am Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK) des Forschungszentrums Jülich. Der Fokus der Legierungsoptimierung lag auf der Minimierung der unerwünschten spröden σ-Phase sowie der Maximierung des verfestigenden Laves-Phasenanteils. Im Rahmen der Entwicklung des thermomechanischen Herstellungsprozesses wurde der Einfluss der Umformparameter auf das Ausscheidungsverhalten der Laves-Phase mittels Schmiedeversuche im Labormaßstab untersucht. Die erreichten Ausscheidungszustände wurden durch Charakterisierung der Mikrostruktur mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) und Partikelanalyse mithilfe der Softwaretools ImageJ und analySISPro® analysiert und ausgewertet. Die ermittelten mechanischen Eigenschaften wurden mit der chemischen Zusammensetzung, den Umformparametern und dem beobachteten Ausscheidungsverhalten korreliert. Die angestrebte verformungsinduzierte, fein verteilte Laves-Phase-Ausscheidung mit einer ausreichend verfestigenden Wirkung im Vergleich zu dem konventionellen thermischen Herstellungsprozess wurde im Labormaßstab erreicht. Anhand dieser Ergebnisse wurde eine Hochskalierung des Prozesses im industriellen Pilotmaßstab erfolgreich durchgeführt. Eine weitere Optimierung der Prozessparameter ist allerdings noch erforderlich. Da im Rahmen dieser Dissertation zwei Legierungen mit einem variierten Wolframgehalt entworfen und hergestellt wurden, konnte zusätzlich der Einfluss des Wolframs, des für die Bildung der Laves-Phase wichtigsten Legierungselements, auf das Ausscheidungsverhalten sowie auf die erreichbare Festigkeit der Mikrostruktur betrachtet werden.

Einrichtungen

  • Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik [520000]
  • Lehrstuhl für Werkstofftechnik der Metalle und Institut für Eisenhüttenkunde [522110]

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