Verformungsinduzierte Ausscheidung intermetallischer Laves-Phase in hochwarmfesten ferritischen Stählen

Pöpperlová, Jana; Bleck, Wolfgang; Krupp, Ulrich; Singheiser, Lorenz

doi:HT021156103

Verformungsinduzierte Ausscheidung intermetallischer Laves-Phase in hochwarmfesten ferritischen Stählen

Pöpperlová, Jana

2021 & 2022

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Dipl.-Ing. Jana Pöpperlová

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2022

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Bleck, Wolfgang (Thesis advisor)^RWTH* ; Singheiser, Lorenz (Thesis advisor) ; Krupp, Ulrich (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-10-26

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-10328
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/835136/files/835136.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
HiperFer Stähle (frei) ; Laves-Phase (frei) ; ausscheidungsgehärtete Stähle (frei) ; hochwarmfeste Stähle (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Einphasige, mittels Laves-Phase verfestigte, ferritische Stähle mit einem Chromgehalt von 17 Gew.-% weisen potenziell eine ausreichende Oxidations- und Kriechbeständigkeit bei hohen Temperaturen auf. Das Legieren mit Wolfram, Niob und Silizium ermöglicht, durch die mischkristall- und ausscheidungsverfestigende Wirkung die gewünschte Kombination einer hohen Oxidationsbeständigkeit und Kriechfestigkeit zu erreichen. Durch die Zugabe dieser Legierungselemente wird die Bildung verfestigender feinverteilter Ausscheidungen der intermetallischen (Fe,Si,Cr)2(W,Nb)-Laves-Phase gefördert. Die erreichbare Oxidations- und Kriechbeständigkeit bietet zahlreiche Hochtemperatur-Anwendungsgebiete, wie z.B. dampfführende Komponenten in Dampfkraftwerken oder thermische Energieumwandlungs- und Speichersysteme. Diese Dissertation befasst sich mit der Optimierung der chemischen Zusammensetzung sowie mit der Entwicklung eines innovativen thermomechanischen Herstellungsprozesses für hochchromhaltige hochwarmfeste Stähle, welcher die Prozesskosten im Vergleich zu dem konventionellen, rein thermischen Herstellungsprozess erheblich reduziert. Die Werkstoffweiterentwicklung erfolgte mithilfe thermodynamischer Berechnungen (ThermoCalc®) und experimenteller Ergebnisse aus Forschungsprojekten zur Entwicklung von HiperFer (High Performance Ferritic) Stählen am Institut für Eisenhüttenkunde der RWTH Aachen sowie am Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK) des Forschungszentrums Jülich. Der Fokus der Legierungsoptimierung lag auf der Minimierung der unerwünschten spröden σ-Phase sowie der Maximierung des verfestigenden Laves-Phasenanteils. Im Rahmen der Entwicklung des thermomechanischen Herstellungsprozesses wurde der Einfluss der Umformparameter auf das Ausscheidungsverhalten der Laves-Phase mittels Schmiedeversuche im Labormaßstab untersucht. Die erreichten Ausscheidungszustände wurden durch Charakterisierung der Mikrostruktur mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) und Partikelanalyse mithilfe der Softwaretools ImageJ und analySISPro® analysiert und ausgewertet. Die ermittelten mechanischen Eigenschaften wurden mit der chemischen Zusammensetzung, den Umformparametern und dem beobachteten Ausscheidungsverhalten korreliert. Die angestrebte verformungsinduzierte, fein verteilte Laves-Phase-Ausscheidung mit einer ausreichend verfestigenden Wirkung im Vergleich zu dem konventionellen thermischen Herstellungsprozess wurde im Labormaßstab erreicht. Anhand dieser Ergebnisse wurde eine Hochskalierung des Prozesses im industriellen Pilotmaßstab erfolgreich durchgeführt. Eine weitere Optimierung der Prozessparameter ist allerdings noch erforderlich. Da im Rahmen dieser Dissertation zwei Legierungen mit einem variierten Wolframgehalt entworfen und hergestellt wurden, konnte zusätzlich der Einfluss des Wolframs, des für die Bildung der Laves-Phase wichtigsten Legierungselements, auf das Ausscheidungsverhalten sowie auf die erreichbare Festigkeit der Mikrostruktur betrachtet werden.

Single-phase, Laves phase strengthened, ferritic steels with a chromium content of 17 wt-% potentially show sufficient oxidation and creep resistance at high temperatures. Alloying with tungsten, niobium and silicon enables reaching the desired combination of high oxidation resistance and creep strength by solid solution and precipitation strengthening effects. These alloying elements enhance the formation of the strengthening intermetallic (Fe,Si,Cr)2(W,Nb) Laves phase particles, finely dispersed in the matrix. The attainable oxidation and creep resistance open up numerous high-temperature application fields, such as steam transfer components in steam power plants or thermal energy conversion and storage systems. This dissertation deals with the optimisation of the chemical composition as well as with the development of an innovative thermomechanical manufacturing process of these high-chromium stainless steels, which is considerably more economical compared the conventional, solely thermal processing. The further alloy design of this steel was accomplished by thermodynamic modelling (ThermoCalc®) and the results of preliminary research and development of HiperFer (High Performance Ferritic) steels at the Steel Institute at RWTH Aachen University (IEHK) and at the Institute of Energy and Climate research (IEK) at Jülich Research Centre. The main task of the alloy optimisation was to minimise the undesirable brittle σ-phase and to maximise the phase amount of the strengthening Laves phase. Within the development of the thermomechanical manufacturing process, the impact of the forging parameters on the precipitation behaviour of the Laves phase was investigated by hot forging experiments on a laboratory scale. The precipitation states achieved were analysed and evaluated by microstructure characterisation utilizing scanning electron microscopy (SEM) and particle analysis using the ImageJ and analySISPro® software tools. The mechanical properties obtained were correlated with the chemical composition, the applied deformation parameters and the observed precipitation. The desired thermomechanically induced, finely dispersed Laves phase precipitation was achieved on a laboratory scale with a sufficiently strengthening effect compared to the conventional thermal manufacturing process. Based on these results, an up-scaling forging trial on an industrial scale was successfully provided. However, further optimisation of the process parameters remains to be undertaken. Since two alloys with a varied tungsten content were designed and produced within the scope of this dissertation, the impact of tungsten, the main Laves phase former, on the precipitation behaviour of the Laves phase and on the final strengthening effect were examined.

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