In dieser Arbeit wird ein Konzept zur Bewertung der Strukturintegrität moderner plasmagespritzter Multilagen-Wärmedämmschichten entwickelt. Der Fokus liegt auf einer systematischen Beschreibung der unter einer betriebsnahen Hochtemperaturexposition ablaufenden, thermisch aktivierten Prozesse. Die über die Oxidation der Haftvermittlerschicht, das Kriechen der Werkstoffe im Verbund und das Sintern der keramischen Deckschichten induzierten Änderungen der spezifischen Werkstoffeigenschaften werden sowohl temperatur- als auch zeitaufgelöst modelliert. Über die Verknüpfung der makroskopischen Charakteristika mit den Informationen über mikrostrukturelle Veränderungen entsteht ein skalengekoppeltes und wirkmechanismenbasiertes Werkstoffmodell. Auf dessen Grundlage erfolgt eine umfangreiche numerische Analyse über die Auswirkungen der Hochtemperaturbelastung auf die Entwicklung lokaler Beanspruchungen sowie eine zeitaufgelöste Rissfortschrittsuntersuchung entlang der schädigungsrelevanten Grenzflächen. Die hieraus abgeleiteten Erkenntnisse decken sich mit experimentellen Befunden und liefern eine Erklärung für den bislang unverstandenen Mechanismus der Transition des potentiellen Versagensortes in Multilagen-Wärmedämmschichten in Abhängigkeit der Ausgangsmikrostruktur und der Beanspruchungshistorie.
Aktualisiert: 2022-02-08
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Die Arbeit beschäftigt sich mit der mikrostrukturellen Evolution der Legierung komplexer Zusammensetzung Al₁₀Co₂₅Cr₈Fe₁₅Ni₃₆Ti₆. Im Fokus steht der Einfluss ausgewählter Elemente wie B, Hf, Mo, Y, W und Zr in geringen Mengen auf die Phasenausprägung und das mechanische Verhalten bei erhöhten Temperaturen.
Nach der Homogenisierung und der Auslagerung weist die Basislegierung eine dreiphasige Mikrostruktur auf: In eine ungeordnete kubisch-flächenzentrierte Matrix sind kohärente, kubische, geordnete γ'-Partikel mit einem Volumenanteil von 55% eingebettet. Weiterhin scheidet sich mit einem Anteil von 3% eine Heusler-Phase in Form von 20 µm langen Nadeln aus.
Die Zugabe verschiedener hochschmelzender Elemente in geringen Mengen bewirkt eine Veränderung der Morphologie beider Phasen: Die Ausprägung der γ'-Phase ist abhängig vom Betrag der Gitterfehlpassung an der Matrix/γ'-Phasengrenzfläche. Eine größere Fehlpassung bewirkt stärkere elastische Verspannungen und führt zu scharfen Kanten der γ'-Würfel. Die Ausprägung der Heusler-Phase auf der anderen Seite ist abhängig von der Homogenisierungstemperatur, welche notwendigerweise durch die Elementzugabe variiert werden muss. Die grobe Heusler-Phase aus dem Gusszustand kann bei geringerer Temperatur nicht im Mischkristall gelöst werden und verbleibt selbst nach der Auslagerung in dieser Morphologie.
Als erstrebenswert in Bezug auf die mechanischen Eigenschaften hat sich eine scharfkantige γ'-Form und die grobe, globulare Heusler-Phase herausgestellt. Beides wird durch die Zugabe von 0,5 Atomprozent Hafnium erreicht und die resultierende Legierung übertrifft kommerzielle Vergleichsmaterialien hinsichtlich Kriechbeständigkeit bei 750°C, Zugfestigkeit und Dehngrenze, bei nahezu identischen Reinmetallkosten zur Materialherstellung.
Aktualisiert: 2021-03-04
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Heat-treatable Cr-Si-based alloys for high temperature applications with Cr ≥ 89 at.% were developed and optimized with respect to their oxidation and nitridation resistance as well as their microstructure. Therefore Ge, Mo and Pt were chosen as additional alloying elements.
All investigated alloys developed a two-phase microstructure consisting of a chromium solid solution, Crss, matrix and A15 phase precipitates, which was proven using EPMA, SEM and XRD. Depending on alloy composition and heat treatment, the fraction of A15 precipitates and thereby the alloy properties can be adjusted. Annealing at 1200°C led to a maximum A15 phase fraction of 37% with respect to the investigated alloy compositions. Si, Ge, and Pt are A15 phase formers while Mo was found in comparable concentrations in both phases. The precipitates formed in Mo-containing alloys were smaller compared to the other systems.
Oxidation tests at temperatures of 1050 - 1350°C were conducted for up to 200 h in synthetic air to investigate the alloys’ oxidation and especially nitridation resistance. For an improved description of oxidation kinetics of Cr-based alloys, a kp-kv-P-model was developed to analyse TGA measurements with mass discontinuities due to oxide scale cracking. It was found that by additional alloying with Ge, Mo and Pt both oxidation and nitridation resistance were improved in comparison to the binary system. Cr3PtN forms in the presence of Pt instead of detrimental Cr2N. Additionally, Ge decreases the effect of local scale failure on the oxidation kinetics and improves scale adhesion. Alloying with Mo enhances SiO2 formation and reduces the evaporation rate constant, most likely due to a morphological change in the Cr2O3 scale.
Aktualisiert: 2020-07-19
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Der Band aus der Reihe „Klassiker der Technik“ vermittelt umfassendes Wissen über Korrosionsschadensformen, wie sie in natürlicher Umgebung, bei technischen Anwendungen und unter industriellen Bedingungen an Metallen und Legierungen auftreten können. Die Erscheinungsformen sind durch Bilder, die Einflussgrößen in zahlreichen Grafiken veranschaulicht. Die Buchreihe präsentiert unveränderte Neuauflagen traditionsreicher Werke, die wegen ihrer einzigartigen Didaktik und der Zeitlosigkeit ihrer Inhalte zur Standardliteratur für Ingenieure gehören.
Aktualisiert: 2023-04-01
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Eine wesentliche Anforderung für den Einsatz von Legierungen bei hohen Temperaturen ist die Oxidationsbeständigkeit. Mit dem Legierungselement Chrom bieten Kupfer-Chrom-Legierungen eine gute Voraussetzung zur Bildung schützender Cr2O3-Deckschichten, aufgrund der äußerst geringen Löslichkeit von Chrom in Kupfer unterscheiden sich diese Legierungen jedoch erheblich von konventionellen, chromhaltigen Hochtemperatur-legierungen. In der vorliegenden Dissertation wird daher der Frage nachgegangen, wie es um die Fähigkeit zur Ausbildung schützender Cr2O3-Deckschichten von Kupfer-Chrom-Legierungen steht.
Hierzu wurden mittels Laserauftragschweißen Kupfer-Chrom-Legierungen mit Chromgehalten bis zu 70 Masse-% hergestellt und das langfristige Oxidationsverhalten im Temperaturbereich von 700°C bis 1.000°C bei atmosphärischen Bedingungen unter Einbeziehung der Eigenschaften der Mikrostruktur systematisch untersucht. Die Charakterisierung des Oxidationsverhaltens stützt sich auf thermogravimetrische und metallographische Untersuchungen zur Erfassung des Oxidschichtwachstums. Hierbei werden insbesondere die Ergebnisse zur Ausbildung sogenannter verarmter Zonen im Gefüge unterhalb der Deckschicht vorgestellt und ein Modell zum Oxidationsverhalten von Kupfer-Chrom-Legierungen diskutiert. Auch auf die Wärmeleitfähigkeit und den thermischen Ausdehnungskoeffizienten sowie die mechanischen Eigenschaften des Materials wird eingegangen.
Aktualisiert: 2021-03-31
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Eine wesentliche Anforderung für den Einsatz von Legierungen bei hohen Temperaturen ist die Oxidationsbeständigkeit. Mit dem Legierungselement Chrom bieten Kupfer-Chrom-Legierungen eine gute Voraussetzung zur Bildung schützender Cr2O3-Deckschichten, aufgrund der äußerst geringen Löslichkeit von Chrom in Kupfer unterscheiden sich diese Legierungen jedoch erheblich von konventionellen, chromhaltigen Hochtemperatur-legierungen. In der vorliegenden Dissertation wird daher der Frage nachgegangen, wie es um die Fähigkeit zur Ausbildung schützender Cr2O3-Deckschichten von Kupfer-Chrom-Legierungen steht.
Hierzu wurden mittels Laserauftragschweißen Kupfer-Chrom-Legierungen mit Chromgehalten bis zu 70 Masse-% hergestellt und das langfristige Oxidationsverhalten im Temperaturbereich von 700°C bis 1.000°C bei atmosphärischen Bedingungen unter Einbeziehung der Eigenschaften der Mikrostruktur systematisch untersucht. Die Charakterisierung des Oxidationsverhaltens stützt sich auf thermogravimetrische und metallographische Untersuchungen zur Erfassung des Oxidschichtwachstums. Hierbei werden insbesondere die Ergebnisse zur Ausbildung sogenannter verarmter Zonen im Gefüge unterhalb der Deckschicht vorgestellt und ein Modell zum Oxidationsverhalten von Kupfer-Chrom-Legierungen diskutiert. Auch auf die Wärmeleitfähigkeit und den thermischen Ausdehnungskoeffizienten sowie die mechanischen Eigenschaften des Materials wird eingegangen.
Aktualisiert: 2021-03-31
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In der vorliegenden Arbeit werden nach einer kurzen Einführung in die Technologie der Am-monothermal-Synthese zunächst materialwissenschaftliche Aspekte zum Herstellungsprozess der Reaktoren untersucht um diesen zu optimieren. Dabei wird die gesamte Fertigungskette von heißgewalzten Rohmaterial zur fertigen Baugruppe betrachtet.
Da die Lebensdauer der Reaktoren hauptsächlich durch die korrosive Degeneration des Behältermaterials durch das Reaktionsfluid bestimmt ist, wird im nächsten Teil der zugrunde liegende Korrosionsmechanismus für ammonobasische und ammonosaure Züchtungsprozesse untersucht. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Identifikation von Einflussfaktoren, welche die Korrosion bestimmen. Diese sind einerseits in den chemischen Charakteristika des Fluids und andererseits in den Eigenschaften des Behältermaterials zu finden.
Die daraus abgeleiteten werkstofftechnologischen und apparatetechnischen Kenntnisse bilden die Grundlage, die Eignung verschiedener potentieller liner-Materialen zu untersuchen. Als Werkstoffe mit hoher Eignung kommen Edelmetalle und Keramiken in Frage. Die technische Implementierung der entsprechenden liner-Technologie im Reaktor sowie die Evaluation sei-ner Handhabung und Effektivität stehen dabei im Fokus.
Aktualisiert: 2019-12-12
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Der Band aus der Reihe „Klassiker der Technik“ vermittelt umfassendes Wissen über Korrosionsschadensformen, wie sie in natürlicher Umgebung, bei technischen Anwendungen und unter industriellen Bedingungen an Metallen und Legierungen auftreten können. Die Erscheinungsformen sind durch Bilder, die Einflussgrößen in zahlreichen Grafiken veranschaulicht. Die Buchreihe präsentiert unveränderte Neuauflagen traditionsreicher Werke, die wegen ihrer einzigartigen Didaktik und der Zeitlosigkeit ihrer Inhalte zur Standardliteratur für Ingenieure gehören.
Aktualisiert: 2023-04-04
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Der Band aus der Reihe „Klassiker der Technik“ vermittelt umfassendes Wissen über Korrosionsschadensformen, wie sie in natürlicher Umgebung, bei technischen Anwendungen und unter industriellen Bedingungen an Metallen und Legierungen auftreten können. Die Erscheinungsformen sind durch Bilder, die Einflussgrößen in zahlreichen Grafiken veranschaulicht. Die Buchreihe präsentiert unveränderte Neuauflagen traditionsreicher Werke, die wegen ihrer einzigartigen Didaktik und der Zeitlosigkeit ihrer Inhalte zur Standardliteratur für Ingenieure gehören.
Aktualisiert: 2023-04-04
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Der Wunsch der Kunden nach verbrauchsarmen und zugleich komfortablen und sicheren Fahrzeugen führt im Zusammenspiel mit immer strengeren Emissionsgrenzwerten zu stetig steigenden Anforderungen an die Motorentechnik. Das Downsizing in Kombination mit Aufladung stellt einen Ansatz zur Wirkungsgradsteigerung von Verbrennungsmotoren dar. Allerdings bedingt die höhere spezifische Leistung dieser Motoren den Einsatz hochtemperaturbeständiger Werkstoffe im Abgaskrümmer und Turbolader. So finden beim Ottomotor, bei dem die Abgastemperatur vor der Turbine jenseits von 1000 Grad C liegen kann, überwiegend hochwarmfeste Gusseisen- und Stahlsorten Einsatz. Aufgrund hoher Gehalte an teuren Legierungselementen wie Chrom und insbesondere Nickel stellt die Entwicklung alternativer kostengünstiger Werkstoffe ein Forschungsdesiderat dar.
Im Rahmen der Arbeit wird die Eignung von Eisenaluminiden als Werkstoff für den Einsatz in thermomechanisch belasteten Bauteilen am Beispiel eines Abgaskrümmermoduls untersucht und bewertet. Verschiedene Legierungskonzepte werden dabei makro- und mikrostrukturell beschrieben und die zugehörigen physikalischen und mechanischen Eigenschaften ermittelt. Unterstützt durch Strukturberechnungen werden vielversprechende Legierungen ausgewählt und deren Eignung abschließend anhand von Bauteilversuchen auf dem Motorprüfstand überprüft.
Aktualisiert: 2022-12-21
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