Erforschung von neuen Multi-Principle Element Alloys mit außerordentlichen mechanischen Eigenschaften mittels additiver Fertigung

  spp Urheberrecht: IEHK Abb. 1

Multi-principle element alloy (MPEA) ist eine neue Legierungsklasse, die im Gegensatz zu konventionellen Legierungen aus mindestens vier Elementen mit hohen Konzentrationen zwischen 5 - 35 at% besteht. Bevor diese zum ersten Mal hergestellt wurden, wurde erwartet, dass hohe Mengen an intermetallischen Phasen aufgrund der Vielzahl von Elementen entstehen. Entgegen der Erwartung wurden meist einfache Kristallstrukturen beobachtet, was auf den Hochentropieeffekt zurückzuführen ist. Die hohe Ordnungsentropie führt zur Stabilisierung einfacher Kristallstrukturen wie kfz oder krz, weshalb diese auch als high-entropy alloys (HEAs) oder compositionally complex alloys (CCAs), wenn gezielt mehrphasige Mikrostrukturen eingestellt werden, bezeichnet werden. Die hohen Freiheitsgrade der Legierungsbestandteile macht Kombinationen aus funktionalen und mechanischen Eigenschaften möglich, welche nicht in konventionellen Legierungen gefunden werden. Beispielsweise können die mechanischen Eigenschaften gleichzeitig durch Effekte wie substitutionelle und interstitielle Mischkristallhärtung, Multiphasenzusammensetzungen und Ausscheidungen, Aktivierung von TRIP oder TWIP verbessert werden, um herkömmliche Legierungen zu übertreffen. Bisher konnte die Werkstoffentwicklung im Bereich der MPEAs jedoch nicht die Eigenschaften von Stählen übertreffen, welche aufgrund der vielen Freiheitsgrade der Legierung erschwert wird.

Aus diesem Grund wird eine neue Methodik verwendet, die thermodynamische Modellierung und mit additiver Fertigung (additive manufacturing, AM) verbindet, um vielversprechende MPEAs im System Al-C-Co-Cr-Fe-Mn-Ni schnell zu untersuchen. Dabei ist das Ziel, die Einflüsse von Al und C auf die mechanischen Eigenschaften unter Ausnutzung verschiedener Härungsmechanismen zu untersuchen. Im ersten Schritt wird das System einer eigens erstellten CALPHAD-Datenbank mit Gleichgewichtsphasenberechnungen überprüft. Nach der Herstellung interessanter Kandidaten mit verschiedenen AM-Methoden werden die Eigenschaften zunächst mit schnellen Messmethoden wie Härtebestimmungen, Röntgenbeugung und Lichtmikroskopie bewerten. Im nächsten Schritt werden interessante Zusammensetzungen weiter im REM, mit hochauflösenden Methoden (TEM, APT) und Zugversuchen gründlicher charakterisiert, um das Verformungsverhalten zu untersuchen.

Erste Ergebnisse unter Verwendung dieses Ansatzes sind in Abb. 1 dargestellt. Zu der äquiatomischen Co-Fe-Mn-Ni Legierung wurde Al und C hinzulegiert, um die substitutionelle und interstititelle Mischkristallhärtung zu bestimmen. Neben dem erwarteten Anstieg der Festigkeit wurde überraschenderweise auch die Bruchdehnung verbessert, was in herkömmlichen Legierungen normalerweise nicht beobachtet wird. Mit einem Blick auf die Verformungsmikrostruktur konnte die Aktivierung von TWIP beobachtet werden. Somit können verschiedene Verfestigungsmechanismen in MPEAs wirksam mit zusätzlichen Verformungsmechanismen verbunden werden, um die mechanischen Eigenschaften wirksam zu verbessern.

Abb. 1: Verschiedene Schritte mit der vorgestellten Methode. (a) Selektives Laserschmelzen zur Herstellung der Proben im Al-C-Co-Fe-Mn-Ni-System mit elementaren Pulvermischungen mit high-throughput (oben) und deep-screening (unten) Proben. (b) Ergebnisse aus Zugversuchen mit äquiatomischer Zusammensetzung mit verschiedenen Al- und C-Gehalten. Die höchste Festigkeit und Dehnung werden mit 0,6 gew% C beobachtet, welche durch den TWIP Effekt verursacht werden und mittels EBSD in (c) durch die Detektion von Verformungszwillinge (blau) sichtbar gemacht werden.

Diese Arbeit ist Teil des Schwerpunktprogramms SPP2006 „CCA - HEA“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG).

Quellenangaben:

[1] C. Haase, F. Tang, M.B. Wilms, A. Weisheit, B. Hallstedt, Combining thermodynamic modeling and 3D printing of elemental powder blends for high-throughput investigation of high-entropy alloys – Towards rapid alloy screening and design, Mater. Sci. Eng. A. 688 (2017) 180–189. doi:10.1016/j.msea.2017.01.099

[2] Z. Li, D. Raabe, Strong and Ductile Non-equiatomic High-Entropy Alloys: Design, Processing, Microstructure, and Mechanical Properties, Jom. 69 (2017) 2099–2106. doi:10.1007/s11837-017-2540-2