5 Werkstofftechnik
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Eingeladener Vortrag
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The influence of heat treatment and creep loading on the microstructure of an Al-Cu-Li alloy was investigated. Especially the formation of different precipitates (T1 and Theta') were characterized and the microstructural changes under different ageing conditions (with and without external strain) were investigated to determine the effect od stress on the ageing process.
The development of refractory chemically complex alloys (rCCAs) has been explored for potential use in high temperature applications. An example of this is the AlMo0.5NbTa0.5TiZr alloy. It was named as “high entropy superalloy” as it resembles the well-known γ/γ’ microstructure in Ni-Base superalloys with cuboidal particles embedded in a continuous matrix. However, the continuous phase in Ni Base alloys is an fcc solution and the cuboidal γ’ precipitates present the L12 intermetallic structure. On the opposite, this CCA has a reversed microstructure where the continuous matrix is formed by an ordered B2 phase which contains cuboidal precipitates of a disordered BCC phase. Some of the most importat results of microstructural analysis, creep test and oxidation are presented in the following work. The as-cast sample shows a bcc/B2 structure with hexagonal phase precipitates in amorphous state whereas the annealed sample also shows a combination of these phases but with larger bcc precipitates and a fully crystallized hexagonal intermetallic. It was found that porosity was higher in the annealed samples (Kinkerdall effect) and the hardness was higher in samples with faster cooling rate due smaller nanostructure. Norton plots show both diffusion and dislocation controlled deformation, and it was found different kinetics between dry and humid air oxidation with the presence of spallation.
The strength of age-hardenable aluminum alloys is based on the controlled formation of nm-sized precipitates, which represent obstacles to dislocation movement. Transmission electron microscopy (TEM) is generally used to identify precipitate types and orientations and to determine their size. This geometric quantification (e.g., length, diameter) is often performed by manual image analysis, which is very time consuming and sometimes poses reproducibility problems. The present work aims at the digital representation of this characterization method by proposing an automatable digital approach. Based on DF-TEM images of different precipitation states of alloy EN AW-2618A, a modularizable digital workflow is described for the quantitative analysis of precipitate dimensions. The integration of this workflow into a data pipeline concept is also presented. The semantic structuring of data allows data to be shared and reused for other applications and purposes, which enables interoperability.
Thermoelectric materials can convert waste heat directly into electrical power by utilizing the Seebeck effect. Calcium cobaltite (Ca3Co4O9, p-type) and calcium manganate (CaMnO3, n-type) are two of the most promising oxide thermoelectric materials. The performance of these materials is evaluated by the power factor PF = S²∙σ and the figure of merit ZT = (PF ∙ T) / κ, demanding high Seebeck coefficient S, high electrical conductivity σ and low thermal conductivity κ. The latter two are increasing with increasing relative sinter density. According to theory, the relative density of ceramics can be improved by increasing the driving force for sintering. This study investigates different approaches to increase the driving force for sintering of Ca3Co4O9 and CaMnO3 to improve densities and thermoelectric properties.
The following approaches were applied: minimizing the energy input during powder synthesis by calcination, fine milling of the powder, using reaction-sintering without a powder synthesis step, and adding a transient liquid phase by sinter additives.
All different approaches led to an increased densification and thus higher electrical conductivity and higher PF. Thermal conductivity increased as well but not to the same extent. E.g. reaction-sintering increased the densification of Ca3Co4O9 (p-type) and CaMnO3 (n-type). Consequently, the electrical conductivities improved by about 100 % for both oxides leading to superior power factors (PF = 230 µW/mK² for CaMnO3). Although the thermal conductivity increased as well by 8 %, the figures of merit (ZT) were significantly higher compared to conventionally sintered bars. The addition of 4 wt% CuO as a sinter additive to CaMnO3 lowers the sinter temperature from above 1250 °C to below 1100 °C and increases the relative density. Due to the increased density, both electrical conductivity and PF increased by more than 200 % even though the sintering temperature was 150 K lower.
Impact of acid condensation on wetting and corrosion behavior of CO2 transport-pipeline steel
(2018)
Es ist allgemein akzeptiert, das Korrosion in CO2-Transport-Pipelines vernach¬lässigbar ist, solange der Wassergehalt des CO2-Stroms deutlich unter der maximal löslichen Menge liegt. Bisher gibt es keinen allgemeinen Konsens darüber, welcher maximale Wassergehalt in zu transportierendem CO2 zugelassen werden sollte. Bei einem Druck von 100 bar und im Temperaturbereich von 277 K bis 298 K beträgt die Löslichkeit von Wasser in CO2 ca. 1.900 bis 3.200 ppmv, aber die Korrosionsrate von Stählen steigt schon ab einem Wassergehalt von 500 ppmv deutlich an. Bei Anwesenheit von Begleitstoffen wie SO2, NO2 und O2, können sich HNO3, H2SO3 und H2SO4 bilden. Menge und Zusammensetzung von kondensierter Säure sind von der Gaszusammensetzung abhängig, und der Korrosionsmechanismus und die Korrosionsform sind vom Kondensationsverhalten abhängig.
The chemically complex alloys (CCAs) that contain mostly refractory elements (rCCAs), may be highly resistant to heat and load, which makes them attractive candidates for use at extremely high temperatures associated with many technological applications, e.g. aeroengine turbines. However, the field of CCAs, especially their resistance in harsh (oxidative) and hot environment is still young and not much experimental evidence for the understanding mechanisms in this regime is available, which the proposed study addresses. For safe use in structural applications, in addition to their mechanical performance, the environmental resistance of this alloy is also critical. Surface degradation can significantly decrease the mechanical resistance during high temperature exposure, leading to premature failure. The AlMo0.5NbTa0.5TiZr rCCA only contains Al as a protection candidate and it is composed of a coherent B2/bcc nanoscopic cube-on-cube interweave and an hexagonal phase. The evaluation of the oxidation process in the AlMo0.5NbTa0.5TiZr rCCA in the heat-treated state has not been assessed yet. The proposed study focusses on a deeper understanding of the formation mechanism and growth kinetics of oxides at high temperature in the AlMo0.5NbTa0.5TiZr rCCA using synchrotron radiation. Due to the envisaged high temperature structural applications, the alloy is evaluated in an oxidation environment specifically between 800°C and 1000°C.
3D-printed landing pads on the moon: Paving the road for large area sintering of lunar regolith.
A prerequisite for lunar exploration and beyond is the manufacturing of objects directly on the moon, given the extreme costs involved in the shipping of material from Earth. Looking at processes, raw materials, and energy sources, equipment will certainly have to be brought from Earth at the beginning. Available on the moon are lunar regolith as raw material and the sun as an energy source. One of the first steps towards the establishment of a lunar base is the creation of infrastructure elements, such as roads and landing pads.
We’ll introduce you to the ESA-project PAVER that demonstrates the sintering and melting of lunar regolith simulant material to produce large scale 3D printed elements that could be used during human and robotic lunar explorations.
Das hochaktuelle Thema der Integration und Wiederverwendung von Wissen und Daten aus Herstellung, Bearbeitung und Charakterisierung von Materialien wird im Zuge der digitalen Transformation in der Materialwissenschaft und Werkstofftechnologie in verschiedenen Projekten adressiert. Dabei stehen die Interoperabilität von nach FAIR-Prinzipien erstellten und veröffentlichten Daten und Anwendungen im Vordergrund. Zur Umsetzung eines komplexen Datenmanagements sowie der Digitalisierung im Bereich der Materialwissenschaften etablieren sich Ontologien zunehmend als belastbares Werkzeug. Sie ermöglichen sowohl menschenlesbare als auch maschinenverständliche und -interpretierbare Wissensrepräsentationen durch semantische Konzeptualisierungen.
Im Rahmen des Projektes Plattform MaterialDigital (PMD, materialdigital.de) werden Ontologien verschiedener Ebenen entwickelt (verbindende mid-level sowie Domänen-Ontologien). Die PMD-Kernontologie (PMD Core Ontology - PMDco) ist eine Ontologie der mittleren Ebene), die Verbindungen zwischen spezifischeren MSE-Anwendungsontologien und domänenneutralen Konzepten herstellt, die in bereits etablierten Ontologien höherer Ebenen (top-level Ontology) verwendet werden. Sie stellt somit einen umfassenden Satz von durch Konsensbildung in der Gemeinschaft (geteiltes Vokabular) entstanden Bausteinen grundlegender Konzepte aus der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik (MSE) dar. Das primäre Ziel des PMDco-Designs ist es, die Interoperabilität zwischen verschiedenen MSE-bezogenen und anderen Ontologien zu ermöglichen. Die PMDco dient als umfassend ausgelegte und erweiterbare semantische Zwischenschicht, die gemeinsame MSE-Konzepte durch semantisches Mapping auf andere Darstellungen vereinheitlicht, was sie zu einem effizienten Werkzeug zur Strukturierung von MSE-Wissen macht. In dieser Präsentation wird die Version 2.0 der PMDco vorgestellt.
Weiterhin wird eine auf die PMDco bezogene normenkonforme ontologische Repräsentation zur Speicherung und Weiterverarbeitung von Zugversuchsdaten präsentiert, die in enger Zusammenarbeit mit Standardisierungsgremien erstellt wurde. Dies umfasst den Weg von der Entwicklung einer Ontologie nach Norm, der Konvertierung von Daten aus Standardtests in das interoperable RDF-Format bis hin zur Verbindung von Ontologie und Daten. Letztendlich können die entsprechenden Daten in einem Triple Store abgelegt und abgefragt werden. Auf Basis dieser Zugversuchsontologie wurde im Folgenden unter Verwendung eines elektronischen Laborbuches (electonic lab notebook – ELN) zur Datenaufnahme eine Praktikumsreihe von Universitätsstudierenden digitalisiert. Dadurch wurde eine vollständig digital integrierte Versuchsführung ermöglicht, die auf andere Versuchsreihen und Experimente übertragbar ist und ebenfalls vorgestellt werden soll. Neben einer erleichterten Aufnahme, Analyse und (Wieder-)Verwendbarkeit von Daten wird damit eine Sensibilisierung von Studierenden für Datenstrukturierung sowie semantische Technologien im Sinne der Aus- und Weiterbildung erreicht.
Ferritic-martensitic alloys with 12-16 % Cr in weight are subject to devices for various energy systems, such as coal power plants and waste incineration plants. These materials are exposed to a highly corrosive environment which lead to a degradation of the material. Especially the simultaneous oxidation and sulfidation is thereby of special interest. Proper spatially resolved measurements that determine not only chemical compositions but phases are rare. However, precise phase identification and quantification of corrosion products within the multi-phase corrosion scales is a key aspect to understand diffusion paths of metal ions and gas ions/molecules. This study investigated Fe-Cr model alloys with Cr contents from 0 to 13 % in weight in 0.5 % SO2 and 99.5 % Ar atmosphere to aim in a fundamental and systematic analysis. Samples were aged at 650 °C for time scales from 12 h to 250 h. The results presented here correspond to depth dependent phase identification of oxide and sulphide phases in the corrosion scales by using X-ray absorption near edge spectroscopy (XANES). Per sample a series of ca. 20 spots (1-5 µm spot size) from scale-gas to scale-metal interface were measured. XANES spectroscopy was performed at the Fe-K edge (7.11 keV) on polished cross sections. The collected spectra were fitted to a combination of reference materials to quantify the present phases at different positions within the scale.The phase distribution differs with Cr content and the Cr diffusion through pure Fe-oxide and mixed Fe-Cr-oxide phases is discussed.