Mikrostrukturelle und mechanische Charakterisierung von polykristallinen ausscheidungsgehärteten Co‐Basis Superlegierungen unter besonderer Berücksichtigung der Verformungsmechanismen
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A series of application-oriented γ′ hardened Co-base cast-and-wrought superalloys was developed and analyzed in the course of this thesis. Optimized heat treatments led to the development of bi- or tridispersive γ/γ′ particle distributions in all alloys that result in high strength. The introduction of intermetallic phases at the grain boundaries stabilized the grain structure up to high application temperatures. The compression strength of the alloys was comparable to commercially available cast-and-wrought alloys. At temperatures above 750 °C, the Co-base superalloys proved to be even more stable than their Ni-base counterparts and provided even higher strength. In addition, the Co-base alloys exhibited excellent creep properties with minimum creep rates reduced by up to two orders of magnitude compared to Ni-base cast-and-wrought alloys. Investigations of the creep mechanisms revealed microtwinning as the dominating deformation mechanism prevailing in the Co-base alloys. High-resolution transmission electron microscopy could be used to identify single Shockley partial dislocations that lead to twin growth by segregation assisted slip along the twin boundary. A comprehensive analysis of several microstructural parameters like grain size, γ′ particle distribution and volume fraction and lattice mismatch as well as a chemical analysis of the composition of γ and γ′ phase allowed to evaluate the different hardening contributions in the alloys.
Abstract
Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Serie von anwendungsnahen, γ′ gehärteten Co-Basis Schmiedelegierungen entwickelt und harakterisiert. Optimierte Wärmebehandlungen führten für alle Legierungen zur Ausbildung einer γ/γ′-Mikrostruktur, welche bi- oder tridisperse γ′-Teilchenverteilungen aufwies und einen möglichst hohen Härtungsbeitrag lieferte. Durch das Einbringen von orngrenzenpinnenden intermetallischen Phasen konnte die Korngröße auch bei hohen Anwendungstemperaturen stabil gehalten werden. Die Druckfestigkeit der Legierungen lag auf vergleichbarem Niveau wie die von Ni-basierten Schmiedelegierungen. Insbesondere bei Temperaturen über 750 °C sind die Co-Basis Schmiedelegierungen stabiler hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften und weisen in Relation höhere Festigkeiten auf. Besonders gute mechanische Stabilität zeigten die untersuchten Legierungen unter Kriechbelastung, wo teilweise um zwei Größenordnungen niedrigere Kriechraten erzielt wurden als für vergleichbare etablierte Ni-Basis Schmiedelegierungen. Untersuchungen der vorliegenden Verformungsmechanismen zeigten, dass in den Co-Basis Schmiedelegierungen Mikroverzwillingung der dominante Verformungsmechanismus ist. Mit Hilfe von hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie konnte nachgewiesen werden, dass das Wachstum der Zwillinge durch das Gleiten von einzelnen Shockley-Partialversetzungen erfolgt, was durch Segregationsprozesse an der Zwillingsgrenze unterstützt wird. Durch eine umfassende Analyse verschiedener mikrostruktureller Parameter wie der Korngröße, der γ′-Teilchengrößenverteilung und des γ′–Volumenanteils und der Gitterfehlpassung sowie der elementaren Zusammensetzung von γ- und γ′-Phasen konnten die Festigkeitsbeiträge in den Legierungen abgeschätzt werden.