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- 9.4 Integrität von Schweißverbindungen (355)
- 7.6 Korrosion und Korrosionsschutz (352)
Vortrag über die Regelungen der AbfKlärV bezüglich P-Rückgewinnung. Diskussion der Auswirkung einer konzentrationsbezogenen Grenze auf die Pflicht zur P-Rückgewinnung. Diskussion der nach AbfKlärV zulässigen analytischen Verfahren zur Bestimmung von P in Klärschlamm und Ableitung von Empfehlungen. Vorstellung der Ergebnisse eines Ringversuchs mit 28 Laboren.
Die Europäische Kommission präsentierte am 11. Dezember 2019 den European Green Deal, ein Konzept mit dem Ziel, bis zum Jahr 2050 als erster Kontinent Klimaneutralität zu erreichen. Mit Inkrafttreten der Verordnung (EU) 2021/1119 des Europäischen Parlaments und des Europäischen Rates am 29. Juli 2021 zur Schaffung des Rahmens für die Verwirklichung der Klimaneutralität („Europäisches Klimagesetz“), ist dieses, sowie das Ziel der Reduzierung der Nettotreibhausgasemissionen um mindestens 55 % bis 2030 in der Gesetzgebung der Europäischen Union verankert. Die Stahlindustrie in der Europäischen Union mit ca. 57 Mio. t Nettotreibhausgasemissionen im Jahr 2020, die annähernd 2 % der Emissionen der Europäischen Union ausmachen (Inklusive Energie: 127 Mio. t; 4 %), bekennt sich zur erheblichen Reduzierung der CO2-Emissionen bis zum Jahr 2030 und zum Erreichen der Klimaneutralität bis zum Jahr 2050. Als Schlüsselwege zur Verwirklichung dieser Zielstellung hat sie zum einen Smart Carbon Usage (SCU) und zum anderen Carbon Direct Avoidance (CDA) in einer Roadmap formuliert. SCU umfasst CO2-reduzierende Maßnahmen in bestehenden Eisen- und Stahlproduktionsprozessen, Carbon Capture and Storage- (CCS) sowie Carbon Capture and Usage-Technologien (CCU). Wohingegen bei CDA CO2-Emissionen durch erneuerbare elektrische Energie sowie wasserstoffbasierte Reduktion des Eisenerzes gar nicht erst entstehen sollen. Der CDA-Weg, der voraussichtlich beschritten werden muss, um eine klimaneutrale Stahlproduktion zu erreichen [38], geht mit einer kostenintensiven Transformation der Stahlproduktion einher, die bereits von vielen Unternehmen der Stahlindustrie eingeleitet wurde und von der im Wesentlichen die beiden in Europa vorherrschenden Stahlproduktionsrouten Hochofen-Konverter-Route und Elektrolichtbogenofen-Route betroffen sind. Die CO2-Emissionen der Hochofen-Konverter-Route, von denen der überwiegende Anteil auf den Hochofen fällt, liegen laut einer für das Jahr 2015 erstellten Studie bei 1921 kg CO2/t Rohstahl inklusive der CO2-Last der Pellets als Einsatzmaterial sowie der Emissionen der nachgelagerten Stranggießanlagen und Walzwerke. Im Hochofen wird das Eisenerz durch Kohlenstoff (C) bzw. Kohlenstoffmonoxid (CO) – welche größtenteils aus dem Koks, der dem Hochofen zusammen mit dem Möller über die Gicht zugeführten wird, stammen – unter Entstehung von Roheisen und Kohlenstoffdioxid (CO2) reduziert. Das neben dem CO2 im Prozessgas enthaltene CO wird zum Beispiel zur Energiegewinnung in peripheren Prozessen ebenfalls unter Bildung von CO2 verbrannt. Zusätzlich zur Reduktion hat der Koks unter anderem physikalische Aufgaben, wie die Errichtung eines Stützgerüstes und die Gewährleistung der Permeabilität im Hochofenprozess. Somit ist eine vollkommene Substitution des Kokses zur Vermeidung der CO2-Emissionen im Hochofen nicht denkbar. Viele Strategien der Stahlunternehmen zum Erreichen der Klimaziele verfolgen daher den Wechsel von der Rohstahlproduktion aus der Hochofen-Konverter-Route hin zur Rohstahlproduktion im Elektrolichtbogenofen (EAF – Electric Arc Furnace) mit dem Einsatz von direkt reduziertem Eisen (Eisenschwamm, DRI – Direct Reduced Iron) aus vorgelagerten Direktreduktionsanlagen, die mit Wasserstoff (H2) als Reduktionsmittel betrieben werden können. Dabei ist die Elektrostahlerzeugung kein neuer Prozess und nimmt in der europäischen Union bereits jetzt einen Anteil von ca. 44 % der Rohstahlproduktion ein, jedoch überwiegend mit Schrott als Einsatzmaterial. Bei der Elektrostahlerzeugung mit Schrotteinsatz fallen laut der oben genannten Studie von Lüngen für das Jahr 20152 410 kg CO2-Emissionen pro Tonne Rohstahl an, von denen der Großteil auf die CO2-Last der fremd bezogenen elektrischen Energie zurückzuführen ist und daher nicht im Produktionsprozess selbst entsteht. Auch die Direktreduktion wird schon seit 1972 in der weltweit zweiten und bis heute in Westeuropa einzigen Direktreduktionsanlage in Hamburg betrieben. Während hier noch mit einem Reduktionsgas gearbeitet wird, das hauptsächlich aus einem aus Erdgas gewonnenen Wasserstoff-Kohlenstoffmonoxid-Gemisch besteht, liegt eine aktuelle Kernherausforderung in der Bereitstellung des in der Größenordnung der von der Transformation betroffenen Rohstahlproduktionskapazitäten notwendigen, mit erneuerbarer elektrischer Energie hergestellten Wasserstoffs. Wird zusätzlich der Strom für das Einschmelzen im Elektrolichtbogenofen aus erneuerbaren Quellen gewonnen und werden schließlich als Brennstoff verwendete Kohle und als Brennstoff verwendetes Erdgas durch CO2-neutrale Bio-Brennstoffe ersetzt, sind sowohl für den Einsatz von mit Wasserstoff reduziertem und auf Pellets ohne CO2-Last basiertem Eisenschwamm als auch für den Einsatz von Schrott CO2-Emissionen von jeweils nur 60 kg CO2/t Rohstahl erreichbar, was eine Reduktion der Emissionen, ausgehend von der Konverter-Hochofen-Route um 97 % und ausgehend von der Schrott-Elektrolichtbogenofen-Route um 85 % bedeuten würde.
Der Betrieb von Elektrolichtbogenöfen macht die an den Standorten vorhandenen Konverter sowie die Infrastruktur für Behandlung und Transport des Roheisens überflüssig. Die fortwährende Nutzung dieser bestehenden Anlagenstruktur dient daher unter anderem als Motivation für die Entwicklung einer zweiten Transformationsstrategie, die einen sogenannten Einschmelzer (SAF – Submerged Arc Furnace) als der Direktreduktionsanlage nachgelagerten Prozess vorsieht, in dem wiederum Roheisen erschmolzen wird, das anschließend im Konverter zu Rohstahl veredelt wird.
Die Transformation der Stahlindustrie beeinflusst einen weiteren CO2-intensiven Industriesektor, nämlich die Zementindustrie die verantwortlich ist für rund 4 % der CO2-Emissionen in der EU. Etwa zwei Drittel dieser Emissionen entfallen als Prozessemissionen auf die Entsäuerung des Rohstoffs Kalkstein (CaCO3), also auf die Abspaltung von CO2 unter Entstehung des für die Herstellung von Zementklinker notwendigen Branntkalks (CaO) als Zwischenstufe bei der Bildung der hydraulischen Phasen Tri- und Dicalciumsilikat. Als eines der fünf Themenfelder (5C-Ansatz: Clinker, Cement, Concrete, Construction, Carbonation), welche die europäische Zementindustrie entlang ihrer Wertschöpfungskette zum Erreichen der gesetzlichen Vorgaben der europäischen Union erarbeitet hat, umfasst das Feld "Cement" zum größten Teil die Reduzierung des Klinker-Zement-Faktors. Im Jahr 2017 betrug er 77 %, das heißt, dass 23 % des Klinkers durch alternative Materialien ersetzt wurden. Bis zum Jahr 2030 wird ein Faktor von 74 % und bis zum Jahr 2050 von 65 % angestrebt. Den größten Anteil an den Klinkersubstituten hat mit 33 % der Hüttensand aus der Stahlindustrie. Bei der Roheisenproduktion im Hochofen entsteht als Nebenprodukt Hochofenschlacke, die unter Zugabe von Schlackebildnern die Gangart des Möllers und mineralische Koksbestandteile abbindet, sowie weitere unerwünschte Begleitelemente wie Schwefel und Alkalien aufnimmt. Allein in Deutschland wurden im Jahr 2021 6,90 Mio. t – das entspricht 90 % der gesamten produzierten Hochofenschlacke – zu glasig erstarrtem Hüttensand granuliert. Dieser Hüttensand besitzt latent hydraulische Eigenschaften und wird daher seit mehr als 140 Jahren als Zementbestandteil eingesetzt, wodurch in Deutschland jährlich rund 4,5 Mio. t CO2-Emissionen eingespart werden. Alle Transformationsstrategien der Stahlindustrie beinhalten die notwendige Außerbetriebnahme der CO2-intensiven Hochöfen. Dies hat unter anderem zur Folge, dass die Hochofenschlacke als Nebenprodukt der Rohstahlerzeugung im Hochofen nicht mehr zur Verfügung stehen wird, wodurch die weitere Reduzierung des Klinker-Zement-Faktors erhebliche Zusatzmengen alternativer Materialien benötigen wird. Derzeit ist noch unklar, ob z.B. calcinierte Tone im benötigten Umfang erzeugt werden können.
Der Fachbereich Thermochemische Reststoffbehandlung und Wertstoffrückgewinnung der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) und das Institut für Baustoffforschung FEhS forschen zusammen mit Industriepartnern und weiteren Forschungseinrichtungen im Rahmen zweier Projekte in den Kooperationssphären der Stahl- und Zementindustrie, die zur Bewältigung dieser Herausforderungen beitragen. Im Projekt SlagCEM wird die Produktion eines hydraulischen Zementbestandteils durch Reduktion von Konverter- bzw. Linz-Donawitz-Schlacke (LDS) untersucht. Die mit den zusätzlich aufgenommen Lichtbogenofenkapazitäten steigenden Mengen an Elektrolichtbogenofenschlacke (EOS, engl. electric arc furnace slag, EAFS) werden im Projekt DRI-EOS behandelt, welches die Produktion eines latent hydraulischen Hüttensandsubstituts zum Ziel hat.
Rotschlamm fällt in sehr großen Mengen bei der Herstellung von Aluminiumoxid an und wird fast ausschließlich deponiert. Es wird eine neue Technologie vorgestellt bei der das im Rotschlamm enthaltene Eisenoxid mittels Wasserstoffplasma reduziert wird. Es wird ein Reaktionsmechanismus über Titanomagnetit und Hercynit vorgeschlagen.
Im Verbundprojekt R-Rhenania wird eine industrielle Demonstrationsanlage am Standort der Monoverbrennungsanlage Altenstadt der Firma Emter errichtet und im Jahr 2024 den Betrieb aufnehmen. Die vorhandene Rostfeuerung-Monoverbrennung wird so umgebaut, dass ein neues thermochemisches Verfahren integriert werden kann, welches hochwirksame und schadstoffarme Dünger produziert (bis zu 17.000 t/a). Die thermochemischen Produkte werden in Gefäß- und Feldversuchen im ökologischen Landbau auf ihre Düngewirkung getestet. Die Umweltverträglichkeit der Demonstrationsanlage wird untersucht, wie auch die Übertragbarkeit des Verfahrens auf weitere Regionen.
Phosphorrecycling sollte nicht isoliert praktiziert werden, sondern im Kontext der spezifischen Abwasserbehandlung und der Betrachtung weiterer Nährstoffe wie Stickstoff und Kalium.
Hohe Rückgewinnungsquoten um jeden Preis sind nicht immer zielführend und u.U. sogar schädlich für die Kreislaufwirtschaft. Es sollte eine Kombination verschiedener Ansätze je nach vorhandener Infrastruktur verfolgt werden. Fällungsverfahren (Struvit) sind geeignet kostengünstig kleine Mengen Phosphor zurückzugewinnen. Für ein umfassendes P-Recycling muss die Rückgewinnung aus der Asche erfolgen.
- Spurenelementanalytik aus Fluoreszenzlampen optimiert
- Königswasseraufschluss Methode der Wahl für REE
- Perchlorsäure-/Flusssäureaufschluss in Kombination mit Königswasseraufschluss für die meisten Elemente geeignet
- Teilweise starke Abhängigkeit der Aufschlusseffizienz vom Element bzw. der vorliegenden Elementspezies
- Nicht aufgelöste Glasmatrix stört die Analytik nicht
Carbonfaser verstärkte Kunststoffe (CFK) sind aus dem Leichtbau nicht mehr wegzudenken. Da die Produktion der Fasern viel Energie benötigt ist deren Recycling anzustreben. Durch Bearbeitung und Handling während des Recyclings verkürzen sich die Carbonfasern (CF) analog zur Papierfaser. Zu kurze Fasern können nicht mehr in eine Flächenstruktur eingebracht werden und müssen daher aus dem Kreislauf ausgeschleust und einer Verwertung zugeführt werden. Untersuchungen des Lehr- und Forschungsgebiets Technologie der Energierohstoffe (TEER) der RWTH Aachen University haben gezeigt, dass die Bedingungen für eine energetische Nutzung von CF-Abfällen in Abfallverbrennungsanlagen nicht geeignet sind. Zudem können CF Betriebsprobleme verursachen. Des Weiteren können bei einer unzureichenden thermischen Behandlung sogenannte WHO-Fasern entstehen, die als gesundheitsschädlich einzustufen sind. Eine Alternative können Hochtemperaturverfahren mit höheren Verweilzeiten sein. Es kommt die Herstellung von Calciumcarbid in Frage, bei der CF als Kohlenstoffträger und der Kunststoff als Energieträger genutzt werden. Eine weitere Verwertungsoption stellt die Stahlproduktionsroute dar. Erste Untersuchungen der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) und TEER am kleintechnischen Lichtbogen der BAM zeigen, dass CF-Abfälle potentiell als Reduktionsmittel und Energieträger eingesetzt werden können.
LD-Schlacken weisen eine große chemische Ähnlichkeit zu Protlandzementklinker auf. Sie enthalten jedoch noch bis zu 30% Eisen, das mineralisch in oxidischer Form gebunden vorliegt. Dadurch kann sich bei der Erstarrung die wichtigste Klinkerphase "Alit" nicht ausbilden.
Durch eine reduzierende Schmelzbehandlung der Schlacke kann des mineralisch gebundene Eisen als Metall separiert werden. Dadurch wird auch die Mineralogie der Schlacke so verändert, dass auch sie nun praktisch einem Portlandzementklinker entspricht.
Entsprechende Versuche wurden am kleintechnischen Lichtbogenofen der BAM durchgeführt. Es werden Ergebnisse vorgestellt und auf Grenzen und Möglichkeiten eines derartigen Prozesses im Hinblick auf eine industrielle Umsetzung eingegangen.
The vulnerability of low quality concrete to changing weather conditions is well known. The constant exposure to temperature changes, biological activity, and humidity ends up in damage to buildings and structures which contain this material. It is therefore necessary to take preventive measures to control the extent of the damage done by weathering and possible penetration of adverse chemicals into structures which need public safety.
The Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM), in cooperation with the small enterprise LinTech GmbH, is working on a project to monitor humidity changes in concrete by analyzing the changes in signal strength (RSSI) from Bluetooth Low Energy sensors. In this paper, we show results which demonstrate the influence of changing water content in concrete on the received RSSI. We observed that as water content in concrete decreases, the received RSSI improves. However, the damping effect is not linearly proportional to water content, rather exponentially proportional. This suggests that changes in the received signal strength are more easily observed when water content in concrete is higher. Finally, we reconstructed a RSSI distribution map using computed tomography
Introduction: Mass transport at gas/liquid interfaces depends on many factors including the gas and liquid properties and hydrodynamics. The mass transport of a gas through the liquid is a limiting step in many chemical reactions. To gain a fundamental understanding of multiphase interfaces, the rate of mass transfer has been measured for pure gases (H2, N2, O2, He) into a thin liquid film with a well-defined surface area and velocity profile. This enables the mass transfer rate to be broken down into one parameter, which is the gas/liquid interfacial area (a), and a second parameter, which is the mass transfer coefficient (kL). Using gases with varying diffusion coefficients enables a comparison of the measured rates of mass transport to the rates predicted by film theory and penetration theory.
Method: A gravity-driven thin water film 0.000180 m in thickness flowing along the outer surface of a capillary was contacted with a gas phase inside a closed system. The liquid was circulated continuously until it was saturated with gas and the equilibrium pressure was reached. In this device, there is laminar flow, and therefore, the hydrodynamics of the liquid film are well defined.
Results: Penetration theory predicts a non-linear relationship between diffusion coefficient (DAB) and mass transfer coefficient (kL). by means of falling film reactor the actual rates of gas-liquid mass transfer are higher than those predicted by theory. Also, a linear relationship between DAB and kL is observed experimentally. The mass transfer coefficient can even, as a rule of thumb, be assumed to be relatively constant with a value of around 10-4 m/s for aqueous solutions.
Grüne Barrieren
(2019)
A technical-safety evaluation of the detonation effects of pyrotechnic compositions can be performed on the basis of TNT/PETN equivalence. The equivalence determination can be carried out by characterization of the blast wave generated because of detonation in free field tests, which however can be highly resource intensive and prone to uncertainties. Here, we present underwater ‘small-scale’ experiments for the determination of such equivalents.
Underwater experiments, as described in the European standard EN 13763-15:2004, are performed to test the capability of detonators to initiate secondary explosives by determining the released energy. At BAM this test was modified to compare the energy output of the pyrotechnic mixtures (those used in air bag gas generators and firework flash compositions) and thus to determine their equivalents of high explosives like TNT or PETN. In the modified tests, small cylindrical copper containers were filled with pyrotechnic substances, which were then attached to standard detonators. This explosive charge assembly was then lowered into a water tank of about 1000 l capacity. At the same depth as the charge assembly, a piezoelectric pressure sensor was immersed in the water at a horizontal distance of about 400 mm from the charge. By recording the time-dependent pressure during the test, the shock energy as well as the energy associated with the expanding gas bubble were determined.
A safety or security related assessment of explosions, accidental and intentional scenarios alike, often necessitate performance of replication-tests. Such test results are necessary to clarify the causes within the scope of forensic investigations. To gain important insights into the behavior of structures and materials under such loading, field tests may also be performed in accordance with different test standards. To determine the resistance of building-structures after explosions, estimation of the residual load-bearing capacity in addition to the assessment of dynamic structural response and damage to the building components is important. In most cases an evaluation of structural integrity is based only on the visual damage, resulting in an overestimation of the residual capacity.
The Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) operates the Test site for Technical Safety (TTS) on an area measuring about 12 km2 in the Federal State of Brandenburg for execution of true-to-scale explosion tests. At the TTS, building component testing was performed to assess the suitability of different non-destructive testing methods to characterize the dynamic structural response and damage resulting from the detonation of high explosives.
Different blast-loading scenarios were realized by varying the net explosive mass and the standoff distance with all scenarios representing a near-field detonation. The test object was a reinforced concrete wall 2 m high, 2.5 m wide and 20 cm thick, fixed at both vertical edges. The dynamic loading of the wall was characterized with 8 piezoelectric pressure sensors flush-mounted on the front surface, thus measuring the reflected pressures from the shock wave. The tests were conducted with the aim of characterizing the global behavior of the wall under dynamic shock loading and the resulting local damage pattern, respectively. High speed digital image correlation was implemented in combination with multiple acceleration sensors to observe the rear surface of the wall to chart the dynamic deflection during the loading and to determine the residual deformation after the loading had ceased. In addition, one test specimen was instrumented with fiber optic sensor cables, both fixed to the rebars and embedded in the concrete-matrix, respectively. Firstly, these sensors were interrogated during the blast test by a distributed acoustic sensing (DAS) device using a particularly high sampling rate to measure the shock-induced vibrations in the structure with high temporal resolution. This delivers information on dynamics of compression and tension cycles from within the structure. Secondly, the local damage-pattern emerging during the series of blasts was determined via distributed fiber optic strain sensing (DSS) by interrogating the embedded fiber optic sensors with a high spatial resolution DSS device after each blast. This enabled the characterization of non-visual damage to the structure, in particular with regard to the formation of localized cracks in the concrete matrix. The DSS was further complimented by a structure-scanner based on ultrasonic measurements.
Our contribution describes this new test approach in detail. Results of the three datasets, namely dynamic shock loading, global behavior of the test object and the local damage pattern will be presented. The suitability of the implemented measurement methods will be discussed in combination with the challenges in their application for technical safety evaluation of building components under explosive loading.
Blast tests are indispensable for investigations of accidental or intentional explosions and to evaluate the level of protection to people and equipment within critical infrastructure. Current capabilities for detailed blast effects assessment are limited to performing full-scale field testing, which, for complex scenarios, are highly resource intensive. In this regard, reliable numerical simulations are an effective alternative option. A discussion of the scope and challenges of using numerical tools for a technical-safety assessment of reinforced concrete structures under blast loading is presented. Different coupling possibilities between shock wave simulations and structural simulations with the help of practical examples is given. An outlook on the development of new methods for structural simulations currently being researched at BAM concludes the presentation.
The manufacture of sintered glasses and glass-ceramics, glass matrix composites, and glass-bounded ceramics or pastes is often affected by gas bubble formation. Against this background, we studied sintering and foaming of barium silicate glass powders used as SOFC sealants using different powder milling procedures. Sintering was measured by means of heating microscopy backed up by XPD, differential thermal analysis, vacuum hot extraction (VHE), and optical and electron microscopy. Foaming increased significantly as milling progressed. For moderately milled glass powders, subsequent storage in air could also promote foaming. Although the powder compacts were uniaxially pressed and sintered in air, the milling atmosphere significantly affected foaming. The strength of this effect increased in the order Ar ≈ N2 < air < CO2. Conformingly, VHE studies revealed that the pores of foamed samples predominantly encapsulated CO2, even for powders milled in Ar and N2. Results of this study thus indicate that foaming is caused by carbonaceous species trapped on the glass powder surface. Foaming could be substantially reduced by milling in water and 10 wt% HCl.
Surface roughness, RZ, normal transmittance, ΤN, total transmittance, ΤT, and photovoltaic (PV) module efficiency, ηS, were measured for commercial solar glass plates and PV test modules identically sandblasted with different loads of quartz sand (200–400 μm), impact inclination angles, and sand particle speed. Measured data are presented versus the specific energy uptake during sand blasting, E (J/m2). Cracks, adhering particles, and scratch-like textures probably caused by plastic flow phenomena could be observed after sand blasting. Their characteristic size was much smaller than that of sand particles. After blasting and subsequent cleaning, the glass surface was still covered with adhering glass particles. These particles, cracks, and scratch-like textures could not be removed by cleaning. For sand blasting with α = 30° inclination angle and E = 30 000 J/m2, normal transmittance, total transmittance, and relative module efficiency decreased by 29%, 2% and ∽2%, respectively. This finding indicates that diffusive transmission of light substantially contributes to PV module efficiency and that the module efficiency decrease caused by sand erosion can be better estimated from total than by normal transmittance measurements.
The properties of the encapsulant are critical to the long-term performance of photovoltaic (PV) modules under the influence of sunlight including UV, elevated temperature, humidity and diffusion of oxygen. Encapsulation process represents about 40% of the whole PV module cost. The introduction of new non-EVA encapsulant material type “Low-Cost, High-Performance” should provide a solution to outdoor yellowing degradation problems. The emerging encapsulant materials exhibit a good compatibility with emerging PV solar cells for long term durability. This new generation of encapsulant materials has the advantage to improve the PV module performances and long term durability for specific climate like desert regions. This scientific contribution presents an overview of the different encapsulant materials currently on the market, the general requirements of the emerging encapsulant materials and characterizations techniques for degradation, diagnostic and reliability lifetime estimation in the framework of Algerian renewable energy strategy.
The presentation shows how the three-dimensional quantification of dislocations and their characteristic features, e.g. Burgers vector, line direction, dislocation density, is carried out at the transmission electron microscope in scanning mode (STEM) at Division 5.1 at BAM. Exemplarily, the methods are shown for Ni-base superalloy single crystals, for which a short introduction is given using further TEM techniques. Additional examples on low angle grain boundaries, nucleation of oxides at dislocations and interaction of dislocations and carbides are shown.
The content of the presentation was addapted, aiming at scientists who work within the DFG Priority Programme 1713 "Strong coupling of thermo-chemical and thermo-mechanical states in applied materials".
The LEK94 is a Ni-base superalloy single crystal (SX) of the second generation, a materials class which is important for its high temperature creep resistance (>1000°C) in first stage blades of low-to-medium pressure gas turbines. Monocrystalline Ni-base superalloy SXs have a two-phase microstructure consisting of small cubes (' phase with the ordered L12 crystal structure, cube edge length: 500 nm), separated by thin channels (γ phase with fcc solid solution structure, channel width: 20 nm). The microstructural evolution during high temperature and low stress tensile creep has been thoroughly investigated previously, mainly for [001] loading, both in terms of dislocation activity (filling of γ channels, formation of dislocation networks, cutting of the γ’ phase) as well as phase coarsening (rafting, topological inversion). Other loading geometries have received less attention.
The present work studies high temperature and low stress creep deformation of the superalloy LEK 94 at temperatures around 1000°C, where rafting occurs. Differences between loading under different uniaxial, biaxial and triaxial stress states are discussed. Stereo-microscopy and g∙b analysis in the scanning transmission electron microscopy mode (STEM) are combined for microstructural analysis. The focus is set on the role of dislocation interactions with the aging microstructure. Both development in STEM characterization methods, as well as the roles of phase coarsening, γ channel filling, microstructural heterogeneity and γ’ phase cutting are discussed.
The realistic description of plastic deformation caused by dislocations demands the representative measurement of their features, e.g., Burgers vector, slip plane, line direction and density. In the case of bulk deformation of technical alloys, reliable data must be ensured for large regions. Nonetheless, the (thin) filiform nature of dislocations and also the heterogeneity in some microstructures additionally require flexible analysis techniques that resolve the details of their interactions. Strong and clear channeling contrasts, faint extinction contours and the absence of chromatic aberration make scanning transmission electron microscopy (STEM) an ideal imaging mode in wide and thick regions of TEM foils, as opposed to conventional (C)TEM. It is the purpose of this contribution to show how STEM can be applied for quantitative measurement of dislocation features. Furthermore, a new tool will be presented, which enables the three-dimensional (3D) reconstruction, visualization and quantification of dislocation densities and directions from stereo-pairs. The application of these techniques will be shown on a monocrystalline Ni-base superalloy, an important class of structural materials that has been implemented in the first row blades of gas turbines. The examples are extracted from specimens subjected to creep deformation at high temperature and low stress under various macroscopic deformation geometries. The spacial and angular accuracy are discussed as well as possible sources of error.
The demand for improved castability and low angle grain boundary (LAGB) resistance has led to the addition of low contents of e.g., B, Hf, Zr or C, into large industrial gas turbine components made of Ni-base superalloy single crystals (SXs). Due to the long-term application of Ni-base superalloy SX components in the temperature regime > 1000 °C, the formation of carbides is highly probable, which could jeopardize mechanical properties, such as high cycle fatigue. In the present contribution, the effect of internal and external stresses on the nucleation and growth characteristics of M23C6 carbides is investigated. Creep experiments are performed on the Ni-base superalloy SX LEK 94, which shows a low C concentration (= 0.1 at. %), at 1020 °C under parallel and circularly notched tensile specimens at a nominal stress of 160 MPa in the crystallographic direction [001]. The carbides are then characterized via scanning (S) and transmission (T) electron microscopy (EM). Nucleation is enhanced in the dendritic cores, often as coalesced colonies, extending over micrometers within M-rich (M: Cr, Re, W, Mo) γ channels. Lath shapes with facets on {100} (parallel to growth direction) and {111} are common. These facets exist since early stages (Fig.1a) and later develop misfit dislocations (Fig.1b), preserving the orientation relationship {100}γ || {100}M23C6. Fig. 1c shows a region from the creep gage, where carbides interact with superdislocations in the γ’ phase. Possible mechanisms are discussed.
Ni-base superalloy single crystals have been used in turbine blades for hot sections of gas turbines for over four decades. In order to increase the efficiency of the turbines, a continuous increase in the inlet temperature of combustion gases into the turbine has driven the design of turbine blades to complicated shapes and the presence of a complex pattern of cooling channels. These three-dimensional shapes, together with the inhomogeneous distribution of stresses along the blade, induce an also complicated triaxial stress state, which does not compare to uniaxial tests that are performed to characterize high temperature properties such as creep. A round notch on a test piece represents a simple configuration that generates a quasi-isostatic stress state across the notch. In the present contribution, the effect of a sharp round notch on the microstructural micromechanisms within the notched region cylindrical bars, loaded along [001] at 1020 °C and 160 MPa net stress, is studied. To this end, a series of interrupted creep tests is conducted on plain and notched bars and the microstructure is compared. Results are discussed in terms of degree microstructural coarsening, and dislocation activity. The effect of notch generation via grinding is also discussed in these terms. The presence of carbides evolving in from residual carbon is also shown and discussed. .Funding by the German Research Association (DFG) [grant number AG 191/1] is acknowledge