5 Werkstofftechnik
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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
Dislocations are the carriers of plastic deformation. As such, their characterization offers important information on the properties they affect. In this contribution, a new tool is presented, which is incorporated in Amira ZIB Edition and allows for three-dimensional (3D) imaging and quantification of dislocations substructures from thick regions an electron-transparent specimen. In the tool, the dislocation segments are traced on diffraction contrast images that are obtained in the transmission electron microscope (TEM). The uncertainties related to the experimental setup and to the proposed method are discussed on the base of a tilt series.
Im Rahmen der DGM/DVM AG Fraktographie wird an der BAM eine fraktographische online-Datenbank aufgebaut. Während von metallischen Werkstoffen viele Beispiele vorliegen, die auch gut verstanden sind, sind die Brüche von Kunststoffen bislang weniger prominent vertreten. Eine teils ungeklärte Frage ist, in welcher Form sich an Kunststoffen klassische Schwingbrüche nachweisen lassen, wie sie von metallischen Werkstoffen bekannt sind. Der Vortrag zeigt einige Beispiele im Detail und stellt diese zur Diskussion.
Im Rahmen der Erstellung einer fraktographischen online-Datenbank an der BAM wurden systematisch Schwingversuche an einem Sinterstahl vorgenommen, dessen Sinterdichte variiert wurde. Die erzeugten Bruchflächen wurden analysiert, mit der Literatur verglichen und Datensätze in die Datenbank eingefügt.
Lowering the sintering temperature of calcium manganate CaMnO3 for thermoelectric applications
(2018)
Thermoelectric materials can convert waste heat directly into electrical power by utilizing the Seebeck effect. Calcium cobaltite (p-type) and calcium manganate (n-type) are two of the most promising oxide thermoelectric materials. The development of cost-effective multilayer thermoelectric generators requires the co-firing of these materials and therefore the adjustment of sintering temperatures. Calcium manganate is conventionally sintered between 1200 °C and 1350 °C. Calcium cobaltite exhibits an undesired phase transition at 926 °C but can be sintered to high relative density of 95 % at 900 °C under axial pressure of 7.5 MPa. Hence, co-firing at 900 °C would be favourable. Therefore, strategies for lowering the sintering temperature of calcium manganate have been investigated. Basically, two approaches are common: i) addition of low melting additives like Bi2O3-ZnO-B2O3-SiO2 (BBSZ) glass or Bi2O3, and ii) addition of additives that form low-melting eutectics with the base material, for example CuO. In this study, several low melting additives including BBSZ glass and Bi2O3, as well as CuO were tested regarding their effect on calcium manganate densification. Bi2O3 did not improve the densification, whereas BBSZ glass led to 10 % higher relative density at 1200 °C. An addition of 4 wt% CuO decreases the temperature of maximum sinter rate from above 1200 °C to 1040 °C. By reducing the particle size of the raw materials from 2 μm to 0.7 μm the maximum sinter rate could be further shifted 20 K towards lower temperatures and the sinter begin decreased from 920 °C to 740 °C. It is shown that eutectic phase formation is more effective in lowering sintering temperature and accelerating densification than low-melting additives.
Thermoelektrische Materialien können durch die Nutzung des Seebeckeffektes einen Temperaturunterschied direkt in eine Spannung umwandeln. Calciumcobaltit (p-typ) und Calciummanagant (n-typ) sind 2 der vielversprechendsten oxidischen thermoelektrischen Materialien. Für die Entwicklung von kostengünstigen Multilayergeneratoren ist das Co-sintern dieser beiden Materialien notwendig und deshalb eine Anpassung der Sintertemperatur nötig. Calciummangant wird herkömmlicherweise zwischen 1200°C und 1350°C gesintert. Calciumcobaltit erfährt einen ungewünschte Phasenumwandlung bei 926°C, es kann allerding bei 900°C unter 7.5MPa zu 95% dicht gesintert werden. Demzufolge, ist eine Co-sintertemperatur von 900°C anzustreben. Aus diesem Grund wurden mehrere Strategien zur Absenkung der Sintertemperatur von Calciummanaganat untersucht. Zum einen die Zugabe niedrigschmelzender Additive, zum anderen die Zugabe von Additiven, die eine eutektische Schmelze bilden. Es konnte gezeigt werden, dass für Calciummanganat die Verwendung von eutektischen Schmelzen besser geeignet ist als die Verwendung von niedrigschmelzenden Additiven um die Sintertemperatur zu senken.“
Calciumcobaltit und Calciummanganat gehören zu den vielversprechendsten thermoelektrischen Oxiden im Temperaturbereich zwischen 600 °C und 800 °C an Luft. Mittels thermoelektrischer Generatoren kann ein Temperaturgradient direkt in elektrische Leistung umgewandelt werden. Für die kostengünstige Pulverherstellung von Funktionsmaterialien wird im industriellen Maßstab meist die Festphasenreaktion (bzw. Kalzinierung) verwendet. Da es sich dabei um einen Hochtemperaturprozess handelt, ist diese Kalzinierung sehr energieintensiv. In der Literatur werden sehr unterschiedliche Prozessbedingungen zur Pulversynthese thermoelektrischer Oxide genutzt. Soweit dem Autor bekannt, ist keine systematische Untersuchung des Einflusses der Pulversynthesebedingungen auf die thermoelektrischen Eigenschaften publiziert.
Deshalb wurde eine systematische Untersuchung des Einflusses der Pulversynthesebedingungen (Temperatur, Haltezeit, Partikelgröße, Wiederholungen) auf die thermoelektrischen Eigenschaften von Calciumcobaltit und Calciummanganat durchgeführt.
Es konnte gezeigt werden, dass sich ein höherer Energieeintrag während der Kalzinierung negativ auf die thermoelektrischen Eigenschaften auswirkt.