Hochtemperaturwerkstoffe

Die Hochtemperaturwerkstoffgruppe am Lehrstuhl für Allgemeine Werkstoffeigenschaften beschäftigt sich mit der erkenntnisorientierten Grundlagen- sowie anwendungsnahen Forschung im Bereich metallischer und intermetallischer Werkstoffe für Hochtemperaturanwendungen.

Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Untersuchung der Korrelation zwischen den mechanischen Eigenschaften wie Härte, Bruchzähigkeit, Kriech-, Ermüdungs- und Warmfestigkeit und der Mikrostruktur und Zusammensetzung der Werkstoffe. Neben der Verwendung zahlreicher mikroskopischer und mechanischer Prüfverfahren am Lehrstuhl werden auch Synchrotron- und Neutronenstrahlquellen zur Charakterisierung verwendet. Ziel der Forschung ist die Entwicklung und Optimierung insbesondere von Nickel- und Kobaltbasis-Superlegierungen, Titanaluminiden und Oxidationsschutzschichten.

Die Hochtemperaturwerkstoffgruppe arbeitet mit Partnern aus der Flugzeug- und Automobilindustrie zusammen und mehrere Projekte sind Teil von DFG-geförderten Programmen.

Dr.-Ing. Steffen Neumeier

Gruppenleiter Hochtemperaturwerkstoffe

Department Werkstoffwissenschaften (WW)
Lehrstuhl für Werkstoffwissenschaften (Allgemeine Werkstoffeigenschaften)

Benedikt Diepold, M. Sc.

Doktorand

Department Werkstoffwissenschaften (WW)
Lehrstuhl für Werkstoffwissenschaften (Allgemeine Werkstoffeigenschaften)

Andreas Bezold, M. Sc.

Doktorand

Department Werkstoffwissenschaften (WW)
Lehrstuhl für Werkstoffwissenschaften (Allgemeine Werkstoffeigenschaften)

Andreas Förner, M. Sc.

Doktorand

Department Werkstoffwissenschaften (WW)
Lehrstuhl für Werkstoffwissenschaften (Allgemeine Werkstoffeigenschaften)

Daniel Hausmann, M. Sc.

Doktorand

Department Werkstoffwissenschaften (WW)
Lehrstuhl für Werkstoffwissenschaften (Allgemeine Werkstoffeigenschaften)

Lukas Haussmann, M. Sc.

Doktorand

Department Werkstoffwissenschaften (WW)
Lehrstuhl für Werkstoffwissenschaften (Allgemeine Werkstoffeigenschaften)

Andreas Kirchmayer, M. Sc.

Doktorand

Department Werkstoffwissenschaften (WW)
Lehrstuhl für Werkstoffwissenschaften (Allgemeine Werkstoffeigenschaften)

Manuel Köbrich, M. Sc.

Doktorand

Department Werkstoffwissenschaften (WW)
Lehrstuhl für Werkstoffwissenschaften (Allgemeine Werkstoffeigenschaften)

Nicklas Volz, M. Sc.

Doktorand

Department Werkstoffwissenschaften (WW)
Lehrstuhl für Werkstoffwissenschaften (Allgemeine Werkstoffeigenschaften)

Polykristalline Ni-basis Superlegierungen sind das Material der Wahl für Gasturbinenscheiben in der Turbinensektion, weil sie das einzige Materialsystem darstellen, welches gleichzeitig eine ausreichende Kriechfestigkeit und Duktilität besitzt als auch auch einen ausreichenden Korrosionsschutz aufweisen kann. Die Wiederentdeckung von Co-basis Superlegierungen in 2006 entfachte weltweites wissenschaftliches Interesse an der Erschaffung einer neuer Superlegierungsklasse. Seitdem stellte sich heraus, dass insbesondere polykristalline CoNi-basis Superlegierungen ebenfalls ein exzellentes Eigenschaftsprofil und ein hohes Anwendungspotential aufweisen.
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In-situ Kompositwerkstoffe wie NiAl-(Cr,Mo) oder Nb-Si-Cr sind vielversprechende Materialsysteme für den Einsatz als Strukturwerkstoff bei hohen Temperaturen. Neben einer geringen Dichte weisen die Systeme als eutektische Legierung einen hohen Schmelzpunkt, gute Wärmeleitfähigkeit und verbesserte Oxidationsbeständigkeit auf. Der Einsatz dieser Materialgruppe wird jedoch wegen einer niedrigen Bruchzähigkeit bei Raumtemperatur und einer geringen Kriechbeständigkeit bei hoher Temperatur erschwert. In diesem Projekt werden daher Möglichkeiten untersucht, diese Nachteile zu verbessern.
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Ziel dieses gemeinsamen Projekts mit der Advanced Materials Group am Heinz Maier-Leibnitz (MLZ) Zentrum [https://mlz-garching.de/de/advanced-materials-group] ist die Implementierung einer innovativen Instrumentierung mit Prüfmaschine an der Forschungs-Neutronenquelle MLZ. Diese neuartige Probenumgebung ermöglicht die in situ Messung der Ausscheidungskinetik und Mikrostrukturevolution schmiedbarer Legierungen während der gesamten thermomechanischen Prozesskette von der Umformung bis zu den nachgelagerten Wärmebehandlungsschritten, um das komplexe Ausscheidungsverhalten dieser Legierungsgruppe verstehen zu können.
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Mittels hochauflösender Röntgendiffraktometrie (HRXRD) und Kleinwinkelneutronenstreuung (SANS) können verschiedenste Materialeigenschaften bestimmt werden. Diese Methoden dienen u.a. zur Analyse der Gitterparameter/-fehlpassung, Eigenspannungen und Ausscheidungsgrößen. In diesem Projekt sollen zweiphasige Legierungssysteme für Hochtemperaturanwendungen genauer untersucht werden. Der Einfluss von Temperatur und Verformung und die resultierenden Ausscheidungsmorphologien soll eingehend betrachtet werden.
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Ziel dieses Projektes ist es, die lokalen mechanischen Eigenschaften einkristalliner Nickel- und Kobaltbasis-Superlegierungen mittels nanomechanischer Charakterisierungsmethoden bei Raumtemperatur und erhöhten Temperaturen, zu untersuchen. Hierbei soll der Einfluss hierarchischer Mikrostrukturen und verschiedener Legierungselemente auf die Festigkeiten der γ- und γ′-Phase sowie den Einfluss lokaler Inhomogenitäten analysiert werden.
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Superlegierungen zählen zu den Hochtemperaturwerkstoffen und sind ein wichtiger Bestandteil von Flugzeugturbinen sowie stationären Gasturbinen. Dabei ist eine stetige Weiterentwicklung dieser Materialgruppe von großer Bedeutung, um in Zukunft durch geringere Materialkosten, besseren Wirkungsgrad und leichtere Bauweisen, Kosten und Ressourcen zu sparen.
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Hochlegierte Materialsysteme mit einer komplexen Zusammensetzung haben in den letzten Jahrzehnten stark an Interesse gewonnen. Einige dieser sogenannten hochentropischen Legierungen, mit Basiselementen wie Co, Ni oder Fe zeigen aufgrund unterschiedlichster Verfestigungsmechanismen (siehe Abbildungen) spannende mechanische Eigenschaften, die es mittels modernen elektronenmikroskopischen und nanomechanischen Methoden zu untersuchen gilt. Hochtemperaturstähle sind ein hierzu verwandtes Legierungssystem, da diese ebenfalls auf FeNiCr basieren. Aufgrund Ihrer bemerkenswerten mechanischen Eigenschaften, Oxidationsbeständigkeit, sehr guten Verarbeitbarkeit und Wirtschaftlichkeit sind diese bereits seit langem im Einsatz.
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Selective laser melting (SLM) ist eine neue additive Herstellungsweise, um Bauteile von hoher Komplexität in kleinen Stückzahlen herzustellen. Die mechanischen Eigenschaften können dabei das Niveau von geschmiedeten Bauteilen erreichen und teilweise sogar übersteigen. Viele Materialsysteme werden bereits kommerziell angewendet.
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Die γ′-gehärteten Kobaltbasis-Superlegierungen sind eine sehr junge Materialklasse (bekannt erst seit 2006), die jedoch grundlegende Eigenschaften mit den bereits seit über 60 Jahren bekannten Nickelbasis-Superlegierungen teilt. Ni-Basis-Superlegierungen werden insbesondere in Flugzeugtriebwerken und stationären Gasturbinen als Turbinenschaufeln oder -scheiben eingesetzt. Dort, wo die Gastemperaturen am höchsten sind, werden sie oft in einkristalliner Form verwendet.
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