Precipitation of Topologically Close Packed Phases in Ni-base Superalloys – the Effect of Re and Ru

Ausscheidung topologisch dichtest gepackter Phasen in Ni-Basis Superlegierungen – der Einfluss von Re und Ru

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus4-82781
  • The high-temperature strength of Ni-base superalloys may be strongly improved by alloying with Re. On the other hand, addition of Re has a negative influence on the long-term high temperature stability – it leads to precipitation of topologically close packed phases. These phases, in turn, are detrimental for the high-temperature strength of Ni base superalloys. Their precipitation process may be suppressed by alloying with Ru. However, although this finding is known since almost three decades, the mechanism of positive influence of Ru is not clarified, disabling the effective alloy design. A new insight into the Re- and Ru effect on the precipitation of topologically close packed phases isThe high-temperature strength of Ni-base superalloys may be strongly improved by alloying with Re. On the other hand, addition of Re has a negative influence on the long-term high temperature stability – it leads to precipitation of topologically close packed phases. These phases, in turn, are detrimental for the high-temperature strength of Ni base superalloys. Their precipitation process may be suppressed by alloying with Ru. However, although this finding is known since almost three decades, the mechanism of positive influence of Ru is not clarified, disabling the effective alloy design. A new insight into the Re- and Ru effect on the precipitation of topologically close packed phases is described in this work. For this purpose six experimental Ni-base superalloys of second, third and fourth generation have been investigated. The results are focused on the scale-bridging characterization of the microstructure in the initial state, as well as after precipitation of topologically close packed phases. Modern techniques of materials characterization, like electron probe microanalysis, transmission and scanning electron microscopy, focused ion beam and three dimensional atom probe tomography are complemented with CALPHAD calculations to draw conclusions about Re and Ru influence on the precipitation of topologically close packed phases. The quantitative analysis of the microstructure confirms that Re promotes while Ru inhibits precipitation of topologically close packed phases. Such effects of both elements are primarily related to thermodynamics – Re and Ru influence the driving force for precipitation. The results confirm that topologically close packed phases undergo sequential phase transformations. Physical phenomena controlling this behavior are considered and the respective conclusions are drawn. The results of the current work show limitations at the commercially available databases for predicting phase transformations in Ni base superalloys, which are focused on the equilibrium stage of precipitation. The results presented in this work show that precipitation of topologically close packed phases has to be considered with respect to kinetics as well. They shed also some light into the understanding of TCP phase precipitation process under strain assisted service conditions.show moreshow less
  • Die Hochtemperaturfestigkeit von Ni-Basis Superlegierungen kann durch Zugabe des Elementes Re signifikant verbessert werden. Re hat aber auch einen negativen Einfluss auf der Hochtemperaturphasenstabilität – es führt zur Ausscheidung spröder topologisch dichtest gepackter (TCP - engl. topologically close packed) Phasen. Diese Phasen sind kontraproduktiv für die mechanischen Eigenschaften. Eine Möglichkeit die Ausscheidung dieser spröden Phasen zu hemmen ist die Zugabe des Elementes Ru. Obwohl diese Entdeckung seit fast drei Jahrzehnte bekannt ist, ist der Mechanismus des positiven Einflusses von Element Ru nicht geklärt, was eine effektive Auslegung der Materialien verhindert. Diese ArbeitDie Hochtemperaturfestigkeit von Ni-Basis Superlegierungen kann durch Zugabe des Elementes Re signifikant verbessert werden. Re hat aber auch einen negativen Einfluss auf der Hochtemperaturphasenstabilität – es führt zur Ausscheidung spröder topologisch dichtest gepackter (TCP - engl. topologically close packed) Phasen. Diese Phasen sind kontraproduktiv für die mechanischen Eigenschaften. Eine Möglichkeit die Ausscheidung dieser spröden Phasen zu hemmen ist die Zugabe des Elementes Ru. Obwohl diese Entdeckung seit fast drei Jahrzehnte bekannt ist, ist der Mechanismus des positiven Einflusses von Element Ru nicht geklärt, was eine effektive Auslegung der Materialien verhindert. Diese Arbeit stellt einen innovativen Ansatz zur Erklärung des Einflusses der Elemente Re und Ru auf die Ausscheidung der topologisch dichtest gepackten Phasen dar. Um das Ziel zu erreichen, sind sechs experimentelle Ni-Basis Superlegierungen der zweiten, dritten und vierten Generation untersucht worden. Die Ergebnisse sind auf eine skalenübergreifende Beschreibung des Gefüges im Ausgangzustand sowie nach der Ausscheidung der topologisch dichtest gepackten Phasen konzentriert. Moderne Untersuchungsmethoden wie Elektronenstrahlmikrosonde, Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie, Tomographie mittels Ionenfeinstrahlanlage und dreidimensionaler Atomsonde zusammen mit thermodynamischen Berechnungen sind angewendet worden, um die Schlussfolgerungen bezüglich des Einfluss der Elemente Re und Ru auf die Ausscheidung der topologisch dichtest gepackten Phasen zu ziehen. Die quantitative Analyse des Gefüges beweist, dass die Tendenz die topologisch dichtest gepackten Phasen auszuscheiden durch das Element Re erhöht- und durch das Element Ru herabgesetzt ist. Der Einfluss der beiden Elemente resultiert aus thermodynamischen Effekten – Re und Ru beeinflussen die Triebkraft der Ausscheidung. Weiterhin wurde bewiesen, dass sich die topologisch dichtest gepackte Phasen in einer Sequenz ausscheiden. Die entsprechenden physikalischen Phänomene sind betrachtet und die Schlussfolgerungen gezogen worden. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die Kinetik der Sprödphasenbildung eine große Rolle spielt und zurzeit eine Vorhersage der Ausscheidung topologisch dichtest gepackter Phasen sehr schwierig ist. Kommerzielle thermodynamische Datenbanken sind nicht in der Lage, die Tendenzen korrekt abzubilden und berechnen zudem ausschließlich Gleichgewichtsphasenanteile und –zusammensetzungen.show moreshow less

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Metadaten
Author:Kamil Matuszewski
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-82781
ISBN:978-3-96147-016-7
Series (Volume number):FAU Studien Materialwissenschaft und Werkstofftechnik (12)
Publisher:FAU University Press
Place of publication:Erlangen
Referee:Robert F. Singer, Krzysztof J. Kurzydłowski
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2017
Embargo Date:2017/03/06
Publishing Institution:FAU University Press
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2016/05/18
Release Date:2017/03/07
Tag:Nickelbasierte Superlegierung; topologisch dichtest gepackte Phasen
electron microscopy; high-temperature materials; nickel-based superalloys; phase transformations; precipitation; rhenium; ruthenium; thermodynamics; topologically close packed phases
SWD-Keyword:Hochtemperaturwerkstoff; Ausscheidung; Phasenumwandlung; Rhenium; Ruthenium; Thermodynamik; Elektronenmikroskopie
Pagenumber:XVI, 175 S.
Note:
Parallel erschienen als Druckausgabe bei FAU University Press, ISBN 978-3-96147-015-0
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