Solid Solution Strengthening and Diffusion in Nickel- and Cobalt-based Superalloys

Mischkristallhärtung und Diffusion in Nickel- und Kobaltbasissuperlegierungen

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus4-74073
  • Nickel and cobalt-based superalloys with a γ-γ' microstructure are known for their excellent creep resistance at high temperatures. Their microstructure is engineered using different alloying elements, that partition either to the fcc γ matrix or to the ordered γ' phase. In the present work the effect of alloying elements on their segregation behaviour in nickel-based superalloys, diffusion in cobalt-based superalloys and the temperature dependent solid solution strengthening in nickel-based alloys is investigated. The effect of dendritic segregation on the local mechanical properties of individual phases in the as-cast, heat treated and creep deformed state of a nickel-based superalloy isNickel and cobalt-based superalloys with a γ-γ' microstructure are known for their excellent creep resistance at high temperatures. Their microstructure is engineered using different alloying elements, that partition either to the fcc γ matrix or to the ordered γ' phase. In the present work the effect of alloying elements on their segregation behaviour in nickel-based superalloys, diffusion in cobalt-based superalloys and the temperature dependent solid solution strengthening in nickel-based alloys is investigated. The effect of dendritic segregation on the local mechanical properties of individual phases in the as-cast, heat treated and creep deformed state of a nickel-based superalloy is investigated. The local chemical composition is characterized using Electron Probe Micro Analysis and then correlated with the mechanical properties of individual phases using nanoindentation. Furthermore, the temperature dependant solid solution hardening contribution of Ta, W & Re towards fcc nickel is studied. The room temperature hardening is determined by a diffusion couple approach using nanoindentation and energy dispersive X-ray analysis for relating hardness to the chemical composition. The high temperature properties are determined using compression strain rate jump tests. The results show that at lower temperatures, the solute size is prevalent and the elements with the largest size difference with nickel, induce the greatest hardening consistent with a classical solid solution strengthening theory. At higher temperatures, the solutes interact with the dislocations such that the slowest diffusing solute poses maximal resistance to dislocation glide and climb. Lastly, the diffusion of different technically relevant solutes in fcc cobalt is investigated using diffusion couples. The results show that the large atoms diffuse faster in cobalt-based superalloys similar to their nickel-based counterparts.show moreshow less
  • Nickel- und Cobaltbasissuperlegierungen mit γ-γ' mikrostruktur sind für ihre exzellente Kriechbeständigkeit bei hohen Temperaturen bekannt. Ihre Mikrostruktur wird über verschiedene Legierungselemente eingestellt, welche sich entweder in der fcc γ Matrix oder der geordneten γ' Phase anreichern. In der vorliegenden Arbeit wurde das Segregationsverhalten verschiedener Legierungselemente in Nickelbasissuperlegierungen, deren Diffusivität in Kobaltbasislegierungen und die temperaturabhängige Mischkristallhärtung von Nickelbasislegierungen untersucht. Der Einfluss chemischer Segregationen auf die mechanischen Eigenschaften einzelner Phasen wurde mittels einer Kombination aus Nanoindentierung undNickel- und Cobaltbasissuperlegierungen mit γ-γ' mikrostruktur sind für ihre exzellente Kriechbeständigkeit bei hohen Temperaturen bekannt. Ihre Mikrostruktur wird über verschiedene Legierungselemente eingestellt, welche sich entweder in der fcc γ Matrix oder der geordneten γ' Phase anreichern. In der vorliegenden Arbeit wurde das Segregationsverhalten verschiedener Legierungselemente in Nickelbasissuperlegierungen, deren Diffusivität in Kobaltbasislegierungen und die temperaturabhängige Mischkristallhärtung von Nickelbasislegierungen untersucht. Der Einfluss chemischer Segregationen auf die mechanischen Eigenschaften einzelner Phasen wurde mittels einer Kombination aus Nanoindentierung und Elektron Probe Mikroanalyse untersucht. Zusätzlich wurde der Härtungsbeitrag unterschiedlicher Legierungselemente zur Mischkristallhärtung von fcc Nickel mittels binärer Nickelbasislegierung bestimmt. Es zeigte sich, dass bei niedrigen Temperaturen der parelastisch Effekt dominiert und Elemente mit dem höchsten Größenunterschied zu Nickel den größten Härtungsbeitrag leisten. Bei höheren Temperaturen reichern sich die Legierungselemente an Versetzungen an, so dass die am langsamsten diffundierenden Elemente die Versetzungsbewegung über Gleitung und Klettern am effektivsten verhindern. Abschließend wurde die Diffusivität technisch relevanter Legierungselemente in fcc Kobalt mittels Diffusionspaar untersucht. Herbei stellte sich heraus, dass größere Atome in Kobaltbasissuperlegierungen ebenso wie in Nickelbasissuperlegierung schneller diffundieren als kleinere.show moreshow less

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Metadaten
Author:Hamad Ur-Rehman
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-74073
ISBN:978-3-944057-72-9
Series (Volume number):FAU Studien Materialwissenschaft und Werkstofftechnik (8)
Publisher:FAU University Press
Place of publication:Erlangen
Referee:Mathias Göken, Uwe Glatzel
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2016
Embargo Date:2016/08/25
Publishing Institution:FAU University Press
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2016/05/06
Release Date:2016/08/31
Tag:Kobaltbasierte Superlegierung; Nickelbasierte Superlegierung
TCP phase; diffusion couples; solid solution strengthening; strain rate jump tests; super alloy
SWD-Keyword:Diffusion; Superlegierung
Pagenumber:iv, 140 S.
Note:
Parallel erschienen als Druckausgabe bei FAU University Press, ISBN 978-3-944057-71-2
Institutes:Technische Fakultät / Department Werkstoffwissenschaften
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
open_access (DINI-Set):open_access
Collections:Universität Erlangen-Nürnberg / FAU University Press
Licence (German):Creative Commons - CC BY-NC-ND - Namensnennung - Nicht kommerziell - Keine Bearbeitungen 3.0