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Mit Hilfe des HIP-Verfahrens („Hot Isostatic Pressing“) werden Poren in der einkristallinen Nickel-Basis Superlegierung CMSX-4 kontinuierlich geschrumpft und dadurch die nach der Erstarrung und der Wärmebehandlung vorhandene Porosität stark reduziert. In diesem Beitrag werden experimentelle und numerische Untersuchungen zu den Mechanismen der Porenschrumpfung zusammengefasst. Es zeigt sich, dass das Verformungsverhalten während Kriechversuchen bei der HIP-Temperatur durch Versetzungsgleitung auf oktaedrischen Ebenen dominiert wird.
Dagegen zeigen Messungen der Porositätsabnahme und Simulationen des Porenschließens, dass die Kinetik der Porenschrumpfung durch das Phänomen der Leerstellendiffusion zwischen Poren und Kleinwinkelkorngrenzen („Low Angle Boundary“, LAB) bestimmt wird. Im Gegensatz führt die klassische Kristallviskoplastizität zu einer systematischen Überschätzung dieser Kinetik. Der scheinbare Widerspruch lässt sich auflösen, wenn man bedenkt, dass auf der Skala der Poren Versetzungsquellen nicht gleichmäßig verteilt sind, wie in der konventionellen Kristallplastizität implizit angenommen wird. Stattdessen wird in einem weiterführenden Modell davon ausgegangen, das Kleinwinkelkorngrenzen (LABs) als Versetzungsquellen fungieren, während die Scherspannungen sehr stark in der Nähe der Poren lokalisiert sind, was die Emission von Versetzungen deutlich reduziert.
Initially, as-cast and homogenized single crystals of nickel-base superalloy CMSX-4 are subjected to hot isostatic pressing at 1288 °C. Two series of experiments are conducted: under the same pressure of 103 MPa but with different durations, between 0.5 and 6 h, and under different pressures, between 15 and 150 MPa, but for the same time of 0.5 h. The porosity annihilation is investigated metallographically and by high-resolution synchrotron X-ray tomography. The obtained experimental results are compared with the predictions of the vacancy model proposed recently in the group. Herein, the model is further refined by coupling with X-ray tomography. The model describes the evolution of the pore arrays enclosed in the 3D synchrotron tomograms during hot isostatic pressing and properly predicts the time and stress dependences of the pore annihilation kinetics. The validated model and the obtained experimental results are used for selecting the optimal technological parameters such as applied pressure and processing time
Refractory chemically complex alloys with bcc-based microstructures show great potential for high-temperature applications but most of them exhibit limited room-temperature ductility, which remains a challenge. One such example is the AlMo0.5NbTa0.5TiZr alloy, mainly consisting of a nano-scaled structure with an ordered B2 matrix and a high-volume fraction of aligned cuboidal and coherently embedded A2 precipitates. This work aims to investigate how the cooling rate after hot isostatic pressing of the AlMo0.5NbTa0.5TiZr alloy affects its microstructure and its resulting hardness and fracture toughness at room temperature. A slow cooling rate of 5 °C/min leads to a coarse microstructure consisting of aligned slabs (mean A2 precipitate ≈ 25 nm) with a nanohardness of about 8 GPa. In contrast, after the fastest cooling rate (30 °C/min), the A2 precipitates become more cubic with an edge length of ≈ 16 nm, resulting in an increase in nanohardness by 10 %. The fracture toughness is roughly independent of the cooling rate and its mean value (≈ 4.2 MPa∙m1/2) resembles that of some B2 intermetallics and other A2/B2 alloys. As the lattice misfit between the A2 and B2 phases is known to play a key role in microstructure formation and evolution, its temperature dependence between 20 and 900 °C was investigated. These findings offer insights into the evolution of the microstructure and room-temperature mechanical properties of the AlMo0.5NbTa0.5TiZr alloy, which could help the development of advanced chemically complex alloys.