Weber, MatthiasMatthiasWeber2025-06-262025-06-262024https://dspace.ub.uni-siegen.de/handle/ubsi/7004Mo Si basierte Legierungen mit hohen Ti Konzentrationen stellen eine neue Klasse von Hochtemperaturwerkstoffen dar, die vielversprechende Eigenschaften für strukturelle Anwendungen wie Gasturbinen bieten, die über die thermische Kapazität von Ni basierten Superlegierungen hinausgehen. Durch die Kombination der drei Elemente besitzen die Legierungen eine hohe Schmelztemperatur, eine hohe Kriechfestigkeit und eine ausgezeichnete Phasenstabilität. Neue Legierungen in diesem Bereich konnten das Hauptproblem der unzureichenden Oxidationsbeständigkeit („Pesting“) in Luft überwinden. Abgesehen von den Einsatztemperaturen ist bekannt, dass im relevanten Teil von Gasturbinen, Wasserdampf von etwa 10 Vol.% vorhanden ist. Die veränderte Umgebung verursacht, dass viele der sonst schützenden Oxide, wie SiO2, mit Wasserdampf zu ungewünschtem flüchtigem Si(OH)4 reagieren. Jedoch ist der Mechanismus nicht richtig verstanden. In der vorliegenden Arbeit werden mehrphasige (MoMK, T1, T2, A15) (Mo9Si8B und Mo12,5Si8,5B27,5Ti2Fe (At.%)) sowie zweiphasige (MoMK, T1/D88) (Mo20Si52,8Ti und Mo21Si34Ti0,5B) Mo Si (B) (Ti) (Fe)Legierungen auf ihr Hochtemperatur-oxidationsverhalten in trockener und wasserdampfhaltiger Atmosphäre untersucht. Zudem werden, um einen zuverlässigen Oxidationsschutz bei niedrigeren Temperaturen und wasserdampfhaltiger Atmosphäre zu gewährleisten, Si sowie Yb Silikate EBC Oxidationsschutzschichten (Environmental Barrier Coatings) benötigt. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, fundierte Kenntnisse über das Oxidationsverhalten von Mo Si (B) (Ti) (Fe) Legierungen mit und ohne Beschichtungssystemen in komplexen Atmosphären zu erhalten. Zur Untersuchung der Legierungen und Beschichtungssysteme werden Oxidationsversuche bei 1200 °C in wasserdampfhaltiger und trockener Atmosphäre bis zu 100 h durchgeführt. Untersuchungen mittels thermogravimetrischer Analysen (TGA), Rasterelektronenmikroskopie (REM), Röntgendiffraktometrie (XRD) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) inklusive Elektronenenergieverlust-spektroskopie (EELS) ermöglichen eine Beurteilung der Oxidationskinetik und eine mikrostrukturelle Charakterisierung des Aufbaus der Oxidschichten. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen verdeutlichen, dass eine Erhöhung des Ti Gehalts im Mo Si (B) (Ti) (Fe) System generell die Oxidationsbeständigkeit verbessert, welche sich in reduzierten Oxidschichtdicken und geringeren spezifischen Massenänderungen manifestiert. Diese Verbesserung ist eng mit einer feineren und homogeneren Mikrostruktur verbunden, welche die Oxidationsstabilität durch kürzere Diffusionswege fördert. Jedoch erweist sich ein höherer Ti Anteil bei beschichteten Legierungen aufgrund der verstärkten Auswärtsdiffusion von Ti als nachteilig, wodurch insbesondere bei der Mo20Si52,8Ti Legierung im Vergleich zur Mo12,5Si8,5B27,5Ti2Fe Legierung dickere Oxidschichten und höheren spezifischen Massenänderungen erreicht werden. Der Einsatz einer feuchten Atmosphäre führt zu erhöhten spezifischen Massenänderungen und dickeren Oxidschichtdicken bei allen Legierungen, vor allem durch die Bildung flüchtiger Oxide wie MoO3, die die Oxidationsrate steigern. Bei beschichteten Legierungen zeigte sich eine ausgezeichnete Oxidationsresistenz mit geringen spezifischen Massenänderungen und Oxidschichtdicken, besonders bei der Mo12,5Si8,5B27,5Ti2Fe Legierung. Zudem bestätigt die Untersuchung der Oxidschicht der Mo20Si52,8Ti Legierung die Bedeutung einer nahezu porenfreien SiO2 Schicht für eine effektive Oxidationsresistenz. Die zusätzliche Anwendung von Yb Silikatschichten reduziert effektiv den Einfluss von Wasserdampf und zeigt nur ein geringfügig verschlechtertes Oxidationsverhalten unter feuchten Bedingungen, welches den Schutzcharakter der Beschichtungen unterstreicht. Diese Ergebnisse betonen die Notwendigkeit eines effektiven Schutzschichtsystems, um eine zufriedenstellende Oxidationsresistenz in feuchten Atmosphären zu gewährleisten.Mo Si based alloys with high Ti concentrations represent a new class of high temperature materials offering promising properties for structural applications such as gas turbines, exceeding the thermal capabilities of Ni based superalloys. The combination of these three elements provides high melting temperatures, substantial creep resistance, and exceptional phase stability. Recent alloys in this field have successfully addressed the primary challenge of inadequate oxidation resistance known as "pesting" in air environment. Furthermore, it is recognized that water vapor, constituting approximately 10 vol.% of relevant turbine environments, causes otherwise protective oxides such as SiO2 to react, forming volatile Si(OH)4. However, the exact mechanisms remain inadequately understood. This study evaluates the high-temperature oxidation behavior of both multi phase (MoSS, T1, T2, A15) (Mo9Si8B and Mo12,5Si8,5B27,5Ti2Fe (at.%)) and two phase (MoSS, T1/D88) (Mo20Si52,8Ti and Mo21Si34Ti0,5B) Mo Si (B) (Ti) (Fe) alloys under dry and water vapor containing (wet) atmosphere. To ensure reliable oxidation protection at lower temperatures in wet atmosphere, Si and Yb silicate Environmental Barrier Coatings (EBCs) are utilized. The goal is to acquire comprehensive knowledge about the oxidation behavior of Mo Si (B) (Ti) (Fe) alloys with and without coating systems in complex atmospheres. Oxidation tests are conducted at 1200 °C in both dry and wet atmospheres for up to 100 h. Techniques such as thermogravimetric analysis (TGA), scanning electron microscopy (SEM), X ray diffraction (XRD), and transmission electron microscopy (TEM) including electron energy loss spectroscopy (EELS) are employed to assess the oxidation kinetics and to characterize the microstructural development of the oxide layers. The results from these investigations highlight that an increase in Ti content in general enhances the oxidation resistance in the Mo Si (B) (Ti) (Fe) system, manifesting itself in reduced oxide layer thicknesses and lower specific mass changes. This enhancement is closely linked to a finer and more homogeneous microstructure, which promotes the oxidation stability via shorter diffusion paths. However, a higher Ti content in coated alloys leads to thicker oxide layers and higher specific mass changes, particularly in the Mo20Si52,8Ti alloy as compared to the Mo12,5Si8,5B27,5Ti2Fe alloy. The use of a wet atmosphere results in increased specific mass changes and thicker oxide layers across all alloys, primarily due to the formation of volatile oxides such as MoO3, which accelerate the oxidation rate. Coated alloys demonstrate exceptional oxidation resistance with minimal specific mass changes and oxide layer thicknesses, especially evident for the Mo12,5Si8,5B27,5Ti2Fe alloy. Additionally, the investigation of the oxide layer on the Mo20Si52,8Ti alloy confirms the significance of a nearly pore-free SiO2 layer for effective oxidation resistance. The supplementary application of Yb silicate layers effectively minimizes the impact of water vapor and shows only a slightly worsened oxidation behavior under wet conditions, underscoring the protective nature of the coatings. These results emphasize the necessity of an effective coating system to ensure satisfactory oxidation resistance in wet atmospheres.deAttribution 4.0 Internationalhttp://creativecommons.org/licenses/by/4.0/620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete TätigkeitenHochtemperaturoxidationHigh-temperature oxidationMo-Si-LegierungenDoctoral ThesisProf. Dr.-Ing. habil. H.-J. Christurn:nbn:de:hbz:467-700422193-5106