Mikromechanische Untersuchungen von Nickel- und Kobaltbasis-Superlegierungen bei Raumtemperatur und erhöhten Temperaturen

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  • Das Ziel dieser Arbeit war es, mithilfe von mikromechanischen Methoden ein besseres Verständnis über mikrostrukturelle Inhomogenitäten und den Auswirkungen von Legierungselementen auf die mechanischen Eigenschaften von Nickel- und Kobaltbasis-Superlegierungen zu erlangen. Gerade bei Superlegierungen sind mikrostrukturelle Inhomogenitäten auf unterschiedlichen Längenskalen zu finden. Somit bestimmen beispielsweise Gusssegregationen, Korngrenzen, die γ und γʹ-Phasen, und auch weitere Phasen wie Boride maßgeblich die mechanischen Eigenschaften. Moderne mikromechanische Methoden erlauben die Untersuchung der mechanischen Eigenschaften auf den unterschiedlichsten Längenskalen vonDas Ziel dieser Arbeit war es, mithilfe von mikromechanischen Methoden ein besseres Verständnis über mikrostrukturelle Inhomogenitäten und den Auswirkungen von Legierungselementen auf die mechanischen Eigenschaften von Nickel- und Kobaltbasis-Superlegierungen zu erlangen. Gerade bei Superlegierungen sind mikrostrukturelle Inhomogenitäten auf unterschiedlichen Längenskalen zu finden. Somit bestimmen beispielsweise Gusssegregationen, Korngrenzen, die γ und γʹ-Phasen, und auch weitere Phasen wie Boride maßgeblich die mechanischen Eigenschaften. Moderne mikromechanische Methoden erlauben die Untersuchung der mechanischen Eigenschaften auf den unterschiedlichsten Längenskalen von Superlegierungen. Mikrostrukturelle Bestandteile, wie etwa einzelne γʹ-Ausscheidungen, können sogar bis in den Nano¬meter¬bereich mecha¬nisch charakterisiert werden. Ein Fokus dieser Arbeit lag auf der Charakterisierung von Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen, die möglichst nah an den Einsatztemperaturen liegen. In der vorliegenden Arbeit konnten bei Temperaturen von bis zu 785 °C zuverlässige Daten bestimmt werden. Eng gekoppelt mit den lokalen mechanischen Tests ist die mikrostrukturelle Charakterisierung, um Rückschlüsse auf das zugrunde liegende Verformungsverhalten zu ziehen. Die in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse können daher für eine weitere Legierungsentwicklung und Optimierung dienen, um die Einsatztemperaturen von Nickelbasis-Superlegierungen weiter zu er-höhen, und Kobaltbasis-Superlegierungen einen Schritt weiter in Richtung Anwendung zu bringen.show moreshow less
  • The aim of this work was the contribution to a deeper knowledge of the influence of microstructural inomogeneities and alloying elements on the mechanical properties of Co‐ and Ni‐base superalloys. Micromechanical methods, such as nanoindentation, micropillar compression tests and compression tests of freestanding cubic γʹ precipitates were used to address the issues. To characterise the properties close to the operating temperatures, high temperature micropillar compression tests up to 785 °C were performed. Moreover, an indentation creep method with a cylindrical flat punch indenter was developed, which allows to investigate local creep properties up to 750 °C. By using this new method,The aim of this work was the contribution to a deeper knowledge of the influence of microstructural inomogeneities and alloying elements on the mechanical properties of Co‐ and Ni‐base superalloys. Micromechanical methods, such as nanoindentation, micropillar compression tests and compression tests of freestanding cubic γʹ precipitates were used to address the issues. To characterise the properties close to the operating temperatures, high temperature micropillar compression tests up to 785 °C were performed. Moreover, an indentation creep method with a cylindrical flat punch indenter was developed, which allows to investigate local creep properties up to 750 °C. By using this new method, slightly better creep properties of the dendritic areas compared to inderdendritic areas were obtained. This behaviour also accounts for the strength of the respective areas, as shown by micropillar compression tests. Another focus was the influence of γ particles in γʹ precipitates on the mechanical properties of a model Ni‐base superalloy. γ particles can increase the strength of γʹ precipitates. The interaction of dislocations with γ particles was analysed in more detail by high resolution transmission electron microscopy and atomistic simulations. Questions for Co‐base superalloys were, for example, if the strength of initially defect free γʹ cubes can be ascribed to the planar defect energies. High resolution transmission electron microscopy confirms the occurance of complex and superextrinsic stacking faults in the γʹ cubes after deformation. Moreover, no element segregations to the planar faults could be identified. Additionally, investigations on the influence of the element B on the grain boundary strength in polycrystalline Co‐base superalloys were conducted. Very small amounts of B lead to an increase of the yield strength. The presence of borides with an adjacent particle depleted zone results in detrimental mechanical properties. Atom probe microscopy confirms a partitioning of B to the γʹ phase in the γ/γʹ microstructure. The element Re leads to a slightly positive effect on the creep properties in Co‐base superalloys. The partitioning of Re to the γ phase is rather moderate as verified by atom probe microscopy. Due to the significant amount of Re in the γʹ phase, the hardness and the resolved shear stress of the γʹ phase of the Re‐containing alloy is increased. In Co‐base superalloys Re does not provide such a strong improvement of the creep properties like in Ni‐base superalloys.show moreshow less

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Metadaten
Author:Markus Kolb
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-124657
DOI:https://doi.org/10.25593/978-3-96147-249-9
ISBN:978-3-96147-249-9
Series (Volume number):FAU Forschungen, Reihe B, Medizin, Naturwissenschaft, Technik (29)
Publisher:FAU University Press
Place of publication:Erlangen
Referee:Mathias Göken, Johann Michler
Advisor:Mathias Göken
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2019
Embargo Date:2019/11/26
Publishing Institution:FAU University Press
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2019/07/05
Release Date:2019/11/27
Tag:Indentierungskriechen; Kobaltbasis-Superlegierung; Mikrosäulen; Nanoindentierung; Nickelbasis-Superlegierung
SWD-Keyword:Superlegierung; Nickellegierung; Cobaltlegierung; Mikromechanik; Mikrohärte; Hochtemperaturkriechen; Mechanische Eigenschaft; Hochwarmfeste Legierung; Mikroseigerung; Korngrenze; Aushärtung; Versetzungsbewegung; Rasterelektronenmikroskopie; Durchstrahlungselektronenmikroskopie
Pagenumber:xix, 158 Seiten
Note:
Parallel erschienen als Druckausgabe bei FAU University Press, ISBN: 978-3-96147-248-2
Institutes:Technische Fakultät
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 629 Andere Fachrichtungen der Ingenieurwissenschaften
6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 66 Chemische Verfahrenstechnik / 669 Metallurgie
6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 67 Industrielle Fertigung / 673 Nichteisenmetalle
open_access (DINI-Set):open_access
Collections:Universität Erlangen-Nürnberg / FAU University Press
Licence (German):Creative Commons - CC BY - Namensnennung 4.0 International