Entwicklung intermetallischer Eisenaluminid-Legierungen  

Die Gruppe „Intermetallische Materialien“ am Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE) entwickelt neue Werkstoffe auf der Basis intermetallischer Phasen, insbesondere für den Einsatz bei hohen Temperaturen in korrosiven Umgebungen. Dazu gehören Eisenaluminid(Fe-Al)-Legierungen, die eine kostengünstige Alternative zu hochlegierten Stählen sein können.

Martin Palm*, Frank Stein und Gerhard Dehm

Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH, 40237 Düsseldorf, Germany - *Kontaktdaten: palm@mpie.de, +49-211-6792-226

Legierungen auf der Basis intermetallischer Phasen zeichnen sich aufgrund der im Vergleich zu Metallen stärkeren atomaren Bindungen, durch hohe Fes­tigkeit und begrenzte Duktilität bei niedrigen Temperaturen aus. Obwohl Letzteres industrielle Anwendungen im größeren Maßstab lange verhindert hat, zeigt das Beispiel der g-TiAl-Legierungen, die seit 2011 als Turbinenschaufeln in Flugtriebwerken eingesetzt werden, dass die begrenzte Duktilität selbst für diese kritischen Anwendungen keine Rolle spielt.

Fe-Al-Legierungen auf der Basis der intermetallischen Phasen Fe3Al und FeAl zeichnen sich durch hervorragende Korrosionsbeständigkeit, geringe Dichten (6,1–6,7 g/cm3) und hohe Verschleißfestigkeit aus. Da die Legierungen kostengünstige und nicht strategische Hauptbestandteile aufweisen, nur geringe Mengen zusätzlicher Legierungselemente, beispielsweise Ti, Cr, B, benötigen und konventionell durch Gießen, Walzen und Schmieden prozessiert werden können, haben sie schon früh das Interesse der Industrie geweckt. Aufgrund der unzureichenden Festigkeit bei hohen Temperaturen erfolgte jedoch kein kommerzieller Durchbruch. Mit neuen Legierungskonzepten für Fe-Al konnte das MPIE erfolgreich diese Problematik lösen. Statt auf Festigkeitssteigerung durch Karbidausscheidung setzen die neuen Konzepte beispielsweise auf Ausscheidungen von Boriden auf den Korngrenzen, Gefüge mit kohärenten Ausscheidungen analog denen von Ni-Basislegierungen und die Stabilisierung geordneter Kristallstrukturen bei hoher Temperatur [1]. Im Gegensatz zu Karbiden scheiden sich Boride in Fe-Al-Legierungen fein verteilt auf den Korngrenzen aus, was zudem die Duktilität verbessert und die Vergröberung der Fe-Al-Matrix bei hohen Temperaturen verhindert. Kohärente Gefüge mit beliebigen Kombinationen der Phasen Fe3Al, FeAl und a-Fe(Al) lassen sich in einer Reihe von Fe-Al-X-Systemen einstellen. Entsprechende Legierungen zeichnen sich durch hohe Festigkeiten aus, die z.B. bei 650 °C die Kriechfestigkeit von P92 deutlich übertreffen [2]. Durch Zulegieren von z.B. Ti, V, Mo kann die Übergangstemperatur für Fe3Al ↔ FeAl von 545 °C im System Fe-Al bis auf über 1200 °C gesteigert werden. Hierbei korreliert der Anstieg in der Übergangstemperatur linear mit der Größe der zulegierten Atome [3]. Entsprechende Legierungen können bei 800 °C Festigkeiten aufweisen, die denen von Ni-Basislegierungen entsprechen.

Die neu entwickelten Fe-Al-Legierungen haben in den letzten Jahren zu einer Reihe von Kooperationen mit der Industrie geführt, bei denen das industrielle Prozessieren im Vordergrund stand. Fe-Al-Legierungen eignen sich hervorragend zum Gießen, da sie beim Guss ein gutes Formfüllungsvermögen und glatte Oberflächen aufweisen. Walzen und Schmieden können analog zu den für 9−12Gew.%-Cr-Stählen etablierten Prozessen durchgeführt werden und auch über neuartige additive Verfahren wie Selective Laser Melting oder Laser Metal Deposition können Bauteile erzeugt werden [4, 5]. Erfolg versprechende Anwendungen zeichnen sich u.a. bei Bremsscheiben, Turbinenschaufeln und Gehäusen ab.

Geschmiedete Fe-Al-Ta-Kompressorschaufeln mit kohärentem Gefüge

Literatur

[1] Palm, M.: Intermetallics 13 (2005), S. 1286/95.

[2] Palm, M.; Krein, R.; Milenkovic, S.; Sauthoff, G.; Risanti, D.; Stallybrass, C.; Schneider, A.: Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 980 (2007) S. 0980-II01-01.

[3] Stein, F.; Schneider, A.; Frommeyer, G.: Intermetallics 11 (2003), S. 71/82.

[4] Hanus, P.; Bartsch, E.; Palm, M.; Krein, R.; Bauer-Partenheimer, K.; Janschek, P.: Intermetallics 18 (2010), S. 1379/84.

[5] Michalcová, A.; Senčekova, L.; Rolink, G.; Weisheit, A.; Pešička, J.; Stobik, M.; Palm, M.: Mat. Design 116 (2017) 481/94.

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