Creep-induced microstructural evolution of a eutectic Mo-20Si-52.8Ti at.% alloy by correlative electron microscopy
Year: 2026
Type: dissertation
Abstract: Turbinenschaufeln in Flugzeugtriebwerken sind stark beanspruchte Bauteile, da sie den aus der Brennkammer austretenden Hochtemperaturgasen ausgesetzt sind. Einkristalline Nickel (Ni)-basierte Superlegierungen werden aufgrund ihrer hervorragenden thermomechanischen Eigenschaften in Turbinenschaufeln eingesetzt, während polykristalline Ni-basierte Legierungen in Düsen, Verkleidungen und Scheiben Verwendung finden. Ihre Leistungsfähigkeit beruht auf einer zweiphasigen Mikrostruktur aus kohärent in die fcc-$\gamma$-Matrix eingebetteten L1$_{2}$-$\gamma'$-Ausscheidungen. Da die Betriebstemperaturen der derzeitigen Werkstoffe durch die Solvustemperatur von $\gamma'$ auf etwa 1150 $^\circ$C begrenzt sind, besteht ein Bedarf an neuartigen Materialien,die Temperaturen oberhalb von 1200 $^\circ$C ohne Luftkühlung standhalten können. Das Mo-Si-Ti-System stellt aufgrund seiner geringen Dichte (6–7 g/cm³) und hohen Solidustemperaturen~($\approx$1800~$^\circ$C) eine vielversprechende Alternative dar. Eine eutektische Mo-20Si-52,8Ti (at.%) Legierung zeigt dabei hohe Abriebfestigkeit und günstiges Kriechverhalten und besitzt eine zweiphasige Mikrostruktur aus einer kubisch-raumzentrierten (krz) festen Lösung (Mo,Ti,Si)$_\mathrm{ss}$ sowie dem hexagonalen Silizid (Ti,Mo)$_5$Si$_3$.Druckkriechversuche bei 1200~$^\circ$C und einer wahren Spannung von 100 MPa ergaben ein charakteristisches Minimum der Kriechrate ($\dot{\varepsilon}_{min}$) bei 1,3\% wahrer Kriechdehnung. Zur Analyse der mikrostrukturellen Entwicklung wurden Proben bis zu wahren Kriechdehnungen von 0,2%, 1,3%, 10%, 20% und 40% untersucht. Die Charakterisierung erfolgte mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM),um Versetzungsprozesse und ihre Wechselwirkung mit Ausscheidungen während des Kriechens aufzuklären. TEM-Proben wurden mithilfe von EBSD zur Identifikation verformungsrelevanter Bereiche und anschließendem FIB-Präparieren hergestellt. Versetzungen wurden mittels STEM-Hellfeldabbildung dokumentiert und unter ausgewählten Zwei-Strahl-Bedingungen hinsichtlich ihres Beugungskontrasts analysiert. Das Unsichtbarkeitskriterium diente zur Bestimmung des Versetzungscharakters und der aktiven Gleitebenen in beiden Phasen. Im Gusszustand führt die hohe Abkühlgeschwindigkeit zu einer Si-Übersättigung der festen Lösung und zur Ausscheidung von Siliziden während der Erstarrung; umgekehrt treten im Silizid auch Ausscheidungen aus der festen Lösung aufgrund einer Mo-Übersättigung auf. Während des Kriechens bilden sich in beiden Phasen halbkoherente Ausscheidungen, die sich mit zunehmender Dehnung vergröbern. EBSD-KAM-Analysen zeigen, dass beide Phasen ab einer Kriechdehnung von 1,3% ($\dot{\varepsilon}_{min}$) aktiv zur Verformung beitragen, wobei die Kriechdehnung durch die Generierung und Bewegung von Versetzungen akkumuliert wird.Die Kriechkurve wird zunächst durch die Keimbildung und das Wachstum der Ausscheidungen bestimmt, während der anschließende Anstieg der Kriechrate durch deren Vergröberung verursacht wird, was das Versetzungs gleiten erleichtert. Nachgewiesene Kantenversetzungen in der festen Lösung sowie vereinzelte Beobachtungen von Versetzungsaufstieg im Silizid bestätigen einen durch Aufstieg gesteuerten Kriechmechanismus.
Author: Thota, Hemanth
Language: English
Subfield: Mechanical Engineering
Field: Engineering
Domain: Physical Sciences
Open Access status: green
OpenAlex ID: W7214280383
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