Microstructure and properties of powder metallurgical manufactured V-rich VSi-B alloys for high-temperature application

Abstract

Zur Verbesserung des thermodynamischen Wirkungsgrades von Gasturbinen wird gezielt an neuen Hochtemperaturwerkstoffen, die über die Möglichkeiten von Nickelbasis-Superlegierungen hinausgehen, gearbeitet. Neben der Möglichkeit der Nutzung von hochschmelzenden Elementen bietet auch der Aspekt der Gewichtsreduzierung einen möglichen Ansatz, um das Ziel einer erhöhten thermodynamischen Effizienz zu erreichen. Vanadium zeichnet sich als interessanter Kandidat ab, da es im Vergleich zu anderen hochschmelzenden Metallen die geringste Dichte (ρ = 6,11 g/cm3) aufweist. Darüber hinaus entsteht in Legierung mit Silizium und Bor ein mehrphasiges Gefüge, welches aus einer V-Mischkristallphase (Vss) und den intermetallischen Phasen V3Si und V5SiB2 besteht und damit neben einer verbesserten Oxidationsbeständigkeit auch eine erhöhte Hochtemperatur- und Kriechfestigkeit bietet. In der vorliegenden Arbeit wird eine detaillierte Untersuchung des V-Si-(B) Pulverwerkstoffs hinsichtlich des Legierungsdesigns, des Mahlverhaltens beim mechanischen Legieren, der Gefügeentwicklung, Phasenbildung, der mechanischen Eigenschaften sowie der Verarbeitbarkeit des Pulverwerkstoffs vorgestellt. Der Mahlprozess wird im Hinblick auf die Mechanik und Kinematik der Planetenkugelmühle detailliert erläutert und numerische Berechnungen sowie eine numerische Simulation des Energieeintrags beim Mahlen vorgestellt. Das maßgeschneiderte, vorlegierte V Si(-B) Pulvermaterial wurde über zwei verschiedene pulvermetallurgische Verarbeitungsrouten, genauer mittels einem standardisierten feldunterstützten Sinterverfahren (FAST) und einem innovativen generativen Fertigungsverfahren (L-DED), kompaktiert und miteinander verglichen, um Mikrostruktur-Eigenschaftsbeziehungen zu ermitteln. Im Vergleich zu konventionell verwendeten Strukturwerkstoffen wie CMSX-4 und intermetallischen Legierungen auf TiAl-Basis erweist sich der Werkstoff V-Si-B als konkurrenzfähig in Bezug auf Härte, Festigkeit und Kriechfestigkeit.

For improving thermodynamic efficiency of aircraft turbines it is necessary to develop new high temperature materials beyond the capability of Ni-based superalloys. Next to a high melting point the weight component is also an approach to achieve the target of increased thermodynamic efficiency. Vanadium points out as an interesting candidate, since it offers the lowest density (ρ = 6.11 g/cm3) in comparison to other high-melting point metals. Moreover, alloyed with Si and B a multiphase microstructure, consisting of a V solid solution (Vss) phase next to the intermetallic phases V3Si and V5SiB2 arises and offers enhanced high temperature strength and creep resistance next to an improved oxidation resistance. In the present thesis a detailed investigation on V-Si-(B) powder material in terms of alloy design, milling behavior during mechanical alloying, microstructural evolution, phase formation, mechanical properties as well as processabilty of the powder material is presented. The milling process is explained in detail with respect to the mechanism and kinematics of the planetary ball mill and numerical calculations as well as a numerical simulation of the energy input during milling are presented. Tailored pre-alloyed V-Si(-B) powder material was consolidated via two different powder metallurgical processing routes, namely a standardized field assisted sinter process (FAST) and an innovative generative manufacturing process (L-DED), and compared against each other in order to determine microstructure-property relationships. Compared to conventionally used structural materials such as CMSX-4 and TiAl-based intermetallic alloys, the V-Si-B material proves to be competitive in terms of hardness, strength and creep resistance.