Chair of

High Temperature Materials

Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung und Qualifizierung von dispersoidverstärkten hochtemperaturfesten Legierungen für den Einsatz als potenzielle Strukturwerkstoffe in der Luft- und Raumfahrt. Effiziensteigerung durch erhöhte Betriebstemperaturen sowie verringertes Gewicht führen zu einem verbesserten Wirkungsgrad von Turbinen .

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Scientific goals
The idea of co-evolution at the human-technology interface is based on the fact that both the biological side and the technical side of an interface are not only dynamic and adaptive, but also take account of the other side in their adaptivity. Investigating this mutual influence leads to a deeper understanding of the causes of undesired processes, such as the maladaptation of inflammatory responses to unwanted changes in implant surfaces. This understanding then opens up new strategies to support desired processes in the sense of co-evolution. These include the possibilities of adaptive technologies and sensor approaches that can adjust to individual dynamics in the biological system, or the development of process-aware technologies that can bring about desired dynamics in the biological system.

Intended strategic goals
The modules of the TACTIC graduate school are designed to enhance translational expertise in the fields of medical technology, sensor technology, and artificial intelligence (AI). The goal is to strengthen research, development, and innovation activities on site. The aim is to closely interlink life sciences and engineering across all modules in order to facilitate future collaborative projects in this area. In addition, the integration of AI is intended to strengthen the profile area of medical technology. By internationalizing the research focus areas, TACTIC enables networking with EU partners, which is an important prerequisite for the alignment of consortia in order to strengthen science in Saxony-Anhalt.

Work program
The graduate school comprises three modules with a total of 9 doctoral students. A thematic network is established through doctoral topics, where at least two thematic modules are assigned concurrently. Each of the three thematic modules - Interaction, AI and Interface - is endowed with three doctoral positions (100%). The aim is to qualify our doctoral students for both the academic and private sector job markets. Interdisciplinary skills are to be imparted through doctoral seminars. Annual thesis committee meetings and TACTIC symposia support the development of doctoral students. An international network is to be established through presentations at international conferences and self-organized symposia.

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Dieses Projekt ist ein Verbundprojekt im Rahmen des DFG SPP 2419 "Ein Beitrag zur Realisierung der Energiewende: Optimierung thermochemischer Energiewandlungsprozesse zur flexiblen Nutzung wasserstoffbasierter erneuerbarer Brennstoffe durch additive Fertigungsverfahren".
In diesem Projekt wird ein additiv gefertigter Bluff-Body-Brenner für die brennstoffflexible, stabile und sichere Verbrennung von NH3/H2-Gemischen betrachtet. Zur Untersuchung der Verbrennungseigenschaften und der Schadstoffemissionen werden akkurate numerische Simulationen und detaillierte experimentelle durchgeführt. Die Brennerkonstruktion wird dann optimiert (in Bezug auf Form, Größe und Position des Flammenhalters), um ein effizientes Verbrennungsverhalten zu erreichen. Es werden offene und geschlossene Brennergeometrien betrachtet. Die Seite des Flammenhalters in Kontakt mit der Flamme und andere Hochtemperaturteile werden durch additive Fertigung unter Verwendung von zunächst Ni-Basis-Legierungen und später ultrahochtemperaturbeständigen Refraktärmetall-Legierungen hergestellt, um schnelle Geometrievariationen zu ermöglichen. Die Dynamik der turbulenten Flamme, die Wechselwirkungen zwischen Flamme und Wand, die Grenze der stabilen Verbrennung, der Flammenrückschlag und die Wärmefreisetzung werden untersucht. Schließlich wird ein optimales Bluff-Body-Brennerdesign für eine stabile, sichere, brennstoffflexible und saubere Verbrennung von NH3/H2 als Mischbrennstoff entwickelt.

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V-Si-B-Legierungen stehen seit einigen Jahren im Fokus der wissenschaftlichen Materialentwicklung. Diese Legierungen stellen, bevorzugt durch ihre hervorragenden spezifischen mechanischen Eigenschaften, eine vielversprechende Alternative zu Ni- und Mo-Basiswerkstoffen im Bereich der Hochtemperaturlegierungen dar. So weist das V-Si-B Legierungssysteme in Hinblick auf seine Mikrostruktur einige interessante Gemeinsamkeiten mit dem gut untersuchten Mo-Si-B-Schwestersystem auf. Beide Legierungssysteme bilden im metallreichen Bereich (z.B. Vanadium) ein ternäres Eutektikum aus einem Mischkristall, V(Mk), und den zwei intermetallischen Phasen V3Si und V5SiB2. Über gerichtete Erstarrung, lässt sich das Eutektikum gezielt entlang der Erstarrungsrichtung „züchten“, was eine starke Richtungsabhängigkeit der resultierenden mechanischen Eigenschaften (Festigkeit, Kriechbeständigkeit) zur Folge hat. Diese ließen sich, ähnlich wie bei Ni-Basis Superlegierungen, gezielt für einen anwendungsrelevanten Lastfall einstellen. Das beantragte Vorhaben untersucht die Mikrostrukturausbildung und die dadurch resultierenden Eigenschaften (richtungsabhängige Festigkeiten und Kriecheigenschaften) gerichtet erstarrten, neuartiger eutektischer V-Si-B-Legierungen. Dazu wird das Zonenschmelzverfahren sowohl ex-situ als auch der direkte Übergang von der flüssigen in die feste Phase im Moment der gerichteten Erstarrung in-situ untersucht und analysiert.

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Im Rahmen der wissenschaftlich-technischen Zusammenarbeit wird die Herstellung von Hochleistungs-Metall-Matrix-Verbundwerkstoffen auf Basis von Multikomponenten-Werkstoffen für Hochtemperaturanwendungen angestrebt. Speziell wird die Herstellung von Multikomponenten-Werkstoffen durch eine Kombination von Verfahren der klassischen Pulvermetallurgie und des Funkenplasmasinterns vereinfacht und soll deutlich verbesserte (mechanische) Eigenschaften gewährleisten. Diese Methode ermöglicht es, ein auf Anwendungsfälle zugeschnittenes Werkstoffdesign umzusetzen und stellt gleichzeitig eine wissenschaftlich-technologische Herausforderung dar. Zudem ermöglicht die Zugabe von keramischen Partikeln eine Steigerung der Festigkeit der Legierungen. Die zu erprobende Technologie ließe sich perspektivisch im industriellen Maßstab anwenden.

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Metallische Werkstoffe für Anwendungen als Strukturwerkstoffe, u.a. in korrosiver Umgebung bei unterschiedlichen Temperaturen, müssen ein breites Eigenschaftsspektrum aufweisen. Durch die Zugabe von Legierungselementen können die Eigenschaften in einem breiten Bereich beeinflusst werden. So kann z.B. die Festigkeit von Molybdänwerkstoffen selbst durch geringfügige Mengen an Silizium deutlich gesteigert werden. Auch weitere Eigenschaften, wie der tribologische Abrieb, die Oxidations- bzw. Korrosionsrate und die zyklische Festigkeit, sind stark von der Auswahl, der Konzentration und der Kombination von Legierungselementen abhängig. Zusätzlich spielt der Wärmebehandlungszustand der Legierungen für die anwendungsgerechte Einstellung des Eigenschaftsspektrums eine große Rolle. Für Werkstoffe im Medizinbereich, bspw. Implantatwerkstoffe, spielen außerdem Eigenschaften unter variierenden Beanspruchungsbedingungen (zyklische Belastung) eine entscheidende Rolle. Im Rahmen dieses Projektes sollen Werkstoffe so modifiziert werden, dass Härte und Verschleißbeständigkeit erhöht und die statische bzw. zyklische Beanspruchbarkeit verbessert wird, ohne die Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit zu vermindern. Dabei werden die Mikrostruktur-Eigenschaftsbeziehungen gezielt beeinflusst, um optimale Voraussetzungen für die spätere Anwendung zu schaffen.

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Vanadium-Silizid-Werkstoffe stellen eine potentielle Alternative für aktuell eingesetzte Hochtemperaturwerkstoffe dar, insbesondere aufgrund ihrer hervorragenden spezifischen mechanischen Eigenschaften. So bestehen beispielsweise V-Si-B-Legierungen aus dem Vanadium-reichen Bereich des Dreistoffsystems aus einem duktilen Vanadium-Mischkristall (V-Mk) und den beiden intermetallischen Phasen V₃Si und V₅SiB₂. Dieses bislang nur wenig erforschte Legierungssystem birgt jedoch in Hinblick auf die Mikrostruktur einige erstaunliche Gemeinsamkeiten zum gut untersuchten Nachbarsystem Mo-Si-B. So konnten in ersten Vorversuchen an V-Si-B-Legierungen deutlich bessere spezifische Druckfestigkeiten im Temperaturbereich von 600 °C bis 900 °C gegenüber Ni-Basislegierungen erzielt werden. Jedoch ist der Mechanismus der Phasenentstehung sowie die Korrelation der Mikrostruktur-Eigenschaftsbeziehungen noch vollkommen unerforscht. Das primäre Ziel dieses Vorhabens ist die Entwicklung neuartiger V-Si-B-Legierungen für Hochtemperaturanwendungen. Hierbei wird die Entwicklung ternär-eutektischer Legierungen angestrebt. In einer Reihe von V-reichen binären und ternären Versuchslegierungen wird die Phasenbildung und -stabilität von der Schmelze bis zum homogenisierten Gefüge erforscht. In der 2. Förderphase steht die Bedeutung der neu entdeckten Phase V8SiB4 im Fokus der Forschung.

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Das übergeordnete Ziel des Vorhabens ME-MAT liegt im Netzwerkaufbau zwischen Kooperationspartnern aus Deutschland, Polen, Bulgarien und Ungarn.
Der wissenschaftliche Fokus liegt auf der Anpassung der Pulverfertigung für additive Herstellungsverfahren. Da der avisierte mehrphasige Werkstoff aus der Gruppe der Refraktärmetalle eine extrem hohe Schmelztemperatur besitzt und gleichzeitig unter Umgebungsbedingungen sehr reaktiv ist, ergeben sich herausfordernde Forschungsfragestellungen.

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Das komplexe Oxidationsverhalten von Vanadium ist der Grund dafür, dass Vanadiumbasis-Legierungen trotz ihrer hohen Festigkeiten bei gleichzeitig geringer Dichte bisher praktisch nicht für einen Einsatz bei hohen Temperaturen in Erwägung gezogen werden können. Hinzu kommt, dass Vanadat sehr leicht zwischen verschiedenen Oxidationsstufen wechselt und dadurch die Hochtemperaturkorrosion von Ni-, Co- oder Fe-Basiswerkstoffen extrem beschleunigt, besonders, wenn es in geschmolzener Form vorliegt. Damit schließt sich auch ein Einsatz von aktuellen Vanadiumlegierungen im Umfeld dieser Werkstoffe aus.
Um Vanadiumlegierungen bei hohen Temperaturen einsetzbar zu machen, soll daher ein völlig neuartiger und innovativer Ansatz zum Oxidationsschutz bei gleichzeitiger Oxidpartikelverstärkung verfolgt werden: Die Entwicklung von Mg- und Ca-haltigen Oxidpartikeln zur Herstellung von oxidationsbeständigen ODS-Vanadium-Silizium Legierungen. Die in ausreichender Konzentration eingebrachten ODS-Partikel sollen die Flüssigphasenbildung bei hohen Temperaturen verhindern. Gleichzeitig wird durch die ODS-Partikel ein festigkeitssteigernder Effekt erwartet, der im potentiellen Anwendungsgebiet solcher Legierungen von Raumtemperatur bis 1050 °C quantifiziert werden soll.
In dem Vorhaben soll geklärt werden, (1) bis zu welchem Volumenanteil von MgO-, CaO- oder Magnesiumorthosilikat-Partikeln sich homogene Gefüge in Vanadiumwerkstoffen einstellen lassen, (2) wie hoch die notwendige MgO-, CaO- oder Magnesiumorthosilikat-Konzentration ist, um die Flüssigphasenbildung zu verhindern bzw. um einen selbstschützenden Mechanismus zu provozieren, (3) wie groß der festigkeitssteigernde Effekt durch die Zugabe von Oxiddispersoiden ist und wie sich die ODS-Partikel auf das Kriechverhalten von Vanadiumlegierungen auswirken.

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Der Wirkungsgrad von Gas- und Flugzeugturbinen ließe sich bereits durch eine leicht höhere Gaseintrittstemperatur beträchtlich steigern, was eine deutliche Verbesserung von Umweltbilanz und Ressourcenverwendung zur Folge hätte. Die aktuell zum Einsatz kommenden Nickel-Basis-Superlegierungen sind in diesem Zusammenhang wegen ihrer vergleichsweisen niedrigen Schmelztemperatur sehr stark limitiert, weshalb mit dieser Werkstoffklasse kaum noch Verbesserungen erzielt werden können. Als aussichtsreichste Kandidaten für den Ersatz von Nickel-Basis-Superlegierungen gelten die schon seit geraumer Zeit diskutierten refraktärmetallbasierten Mo-Si-B-Legierungen, deren Eigenschaftsspektrum sowohl bei Raumtemperatur als auch bei höheren Temperaturen am Ausgewogensten ist. Zudem konnte in früheren Untersuchungen gezeigt werden, dass ein Zulegieren von Vanadium innerhalb dieser Hochtemperaturlegierungen zu einer nicht unerheblichen Verringerung der Dichte führt, was sie für einen möglichen Einsatz in der Luft- und Raumfahrttechnik prädestinieren würde.
Die größte Herausforderung dieser Legierungen ist nach wie vor die Oxidationsbeständigkeit, die es in dieser Hinsicht zu verbessern gilt. Insbesondere der Bereich zwischen 600 °C und 800 °C ist als äußerst kritisch anzusehen, da es hier zu dem sog. "Pesting", einem katastrophalen Oxidationsversagen, kommt. Ab einer Temperatur von 1000 °C beginnt sich jedoch nach einer gewissen Zeit eine schützende Borosilikatschicht auf der Oberfläche auszubilden, die das Material vor weiterer Oxidation schützt.
Das Hauptaugenmerk dieses Projekts liegt auf der Entwicklung und Optimierung von Mo-40V-9Si-8B-Werkstoffen, welche zusätzlich mit einer Beschichtung [MoSi₂/RHEA Mo-Ta-Ti- (Cr, Al)] versehen werden, um auf diese Weise den Anforderungen der Luft- und Raumfahrtindustrie hinsichtlich mechanischer Eigenschaften und Oxidationsbeständigkeit gerecht zu werden. Hierzu muss zunächst eine geeignete Legierungsstrategie sowohl für das Substrat als auch für den Schichtwerkstoff entwickelt werden. Anschließend soll eine entsprechende pulvermetallurgische Herstellungsroute über das mechanische Legieren etabliert werden. Dabei soll der Basiswerkstoff über einen entsprechenden Sintervorgang hergestellt werden, während die Oxidationsschutzschicht mittels Hochleistungskathodenzerstäubung bzw. über das Packzementieren appliziert werden soll. Im letzten Schritt sollen dann sowohl am unbeschichteten als auch am beschichteten Material diverse Untersuchungen (Mikrostrukturanalyse, mechanische Eigenschaften, Oxidationsbeständigkeit, …) durchgeführt werden, um das entwickelte Materialsystem auf seine Anwendbarkeit als Strukturwerkstoff zu überprüfen.

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Since the CCAs are being actively explored for next-generation structural materials for high-temperature applications and therefore, they should have a high creep resistance besides that a comprehensive understanding of their creep and fracture behaviors is also indispensable.
Among the several anomalies existing in the creep behavior of HEAs, the foremost important is the stress exponent, n, calculated from the Berkovich nanoindentation creep tests turns out to be much larger than that calculated based on the uniaxial stress relaxation and spherical nanoindentation creep tests, and this could not be explained using classical creep theory for crystalline metals. It is still uncertain whether the classical creep theory for conventional metals are applicable for the HEAs.
The Fe32.3Al29.3Cu11.7Ni10.8Ti15.9 CCA, developed by OVGU-HT Materials group – whose compression behavior was studied under a constant displacement test with quasi static strain rate between room temperature (RT) and 1100°C revealed a stable single phase bcc microstructure with precipitates at the grain boundaries. The high temperature deformation and creep behavior of this material will be studied during a 3 months visit of Prof. Puspendu Sahu, Professor of Physics), Jadavpur University, Kolkata, India. In addition, TEM analyses are planned to perform at Jadavpur University with the deformed materials to get insights into the deformation mechanisms.

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Multi-component materials are known as alloys which are based on a variety of elements in equiatomic or highly concentrated fractions, instead of the concept of alloys based on one mayor element. Materials classes like High-Entropy alloys (HEAs), Medium-Entropy alloys (MEAs) and Compositionally Complex Alloys (CCAs) belong to these systems. The special feature of multicomponent alloys is due to the physical and thermodynamic conditions (high entropy effect, cocktail effect, sluggish diffusion effect, etc.), which lead to outstanding mechanical and physical material properties. Especially refractory elements such as Mo, Nb, Ta and Ti have emerged as essential components regarding the development of high-temperature materials. However, an additional aspect has rather moved into the background: the biocompatibility of many refractory metals. This property is considered as a key aspect in the development of multicomponent alloys for biomedical applications. In the course of this research project, materials conception and alloy development is carried out at the chair of high-temperature materials of Otto-von-Guericke University Magdeburg, whilst biocompatibility experiments and validation are conducted in cooperation with the chair of experimental orthopedics under supervision of Prof. Dr. rer. nat. Jessica Bertrand. The aim of this project is to develop a novel multi-component alloying system with outstanding mechanical properties, combined with optimized biocompatibility with respect to different biological cells and tissue for the use in biomedical applications.

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Im Rahmen des im Jahr 2020 begonnenen DFG-Gemeinschaftsprojekts wurden komplexe, mehrfunktionale Oxidationsschutz-Beschichtungssysteme zum Werkstoffschutz molybdän (Mo)-haltiger Refraktärmetall-Legierungen entwickelt. Solche Legierungen weisen höhere thermische Stabilitäten als die bislang als Turbinenwerkstoff eingesetzten Nickelbasis-Superlegierungen auf. Damit könnten sie bei hinreichender Langzeitstabilität in Turbinenanwendungen bei um 150 K höher liegenden Temperaturen betrieben werden, was eine Erhöhung des Turbinenwirkungsgrades zur Folge hätte. Als Problem erweisen sich jedoch die Oxidation von Mo und die Abdampfung als Mo-Oxid, was unweigerlich zur mechanischen Desintegration eines entsprechenden Bauteils führt und Schutzschichten von einigen zehn bis wenige hundert Mikrometer Dicke, bevorzugt mit Selbstheilungsfunktion gegen Rissentstehung in der Schicht, erfordert.
Ein solches Schichtsystem, bestehend aus einem sog. präkeramischen Polymer – einer oligomeren chemischen Verbindung, die sich durch Wärmebehandlung in eine Keramik umwandeln lässt –, partikulären Füllstoffen wie Silicium, Bor und hexagonalem Bornitrid, konnte in Langzeit-Oxidationsversuchen getestet werden und zeigt vielversprechende Eigenschaften auf ausgewählten Mo-haltigen Legierungen.
Da die Schichtdicken nicht unbegrenzt erweitert werden können, wurde zum o. g. Antrag ein Zusatzantrag gestellt, um das auf gefüllten präkeramischen Polymeren basierende Beschichtungsverfahren mit dem sog. pack cementation-Verfahren – ein Beschichtungsverfahren, bei dem schützende Komponenten wie Bor und Silicium mit Transportmitteln über Diffusionsprozesse in der Gasphase aus dem Pulverbett aufgebracht werden – zu kombinieren und somit a) die Schichtdicken und b) die Wirksamkeit der erhaltenen Schutzschichten weiter zu erhöhen. Erste Ergebnisse sind vielversprechend und zeigen, dass eine Kombination beider Verfahren zur Erzeugung von Oxidationsschutzschichten mit Schichtdicken von größer einhundert Mikrometern möglich ist. Die Arbeiten zur Kombination beider Verfahren werden im Rahmen eines von der DFG finanzierten Walter-Benjamin-Forschungsstipendiums systematisch untersucht.

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Das Internationale Graduiertenprogramm der Tohoku Universität in Sendai, Japan, wurde unter Beteiligung zahlreicher Fachkollegen und Fachkolleginnen aus Asien, Europa und den USA im Jahr 2018 eröffnet. Von Seiten der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg sind Frau Prof. Manja Krüger und Herr Dr. Georg Hasemann an dem Programm beteiligt (s. Foto). Wir entwickeln und analysieren gemeinsam mit den japanischen Kollegen Prof. Kyosuke Yoshimi und Ass. Prof. Shuntaro Ida neue Werkstoffe und nutzen dafür die einzigartige Ausstattung in den Laboren der Tohoku Universität in Sendai und der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg.

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The recycling of plastics is an important issue in terms of environmental sustainability, recyclability and of waste management. The development of proper technologies for plastic recycling is generally recognized as a priority. To achieve this aim, the technologies that have been developed and applied in mineral processing can be adapted to recycling systems. In particular, the improvement of comminution technologies is one of the main actions to improve the quality of recycled plastics. The aim of this work is to study the comminution processes in milling for different types of plastic materials.

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Dieses Vorhaben wird im Rahmen der Philipp Schwartz-Initiative der Alexander von Humboldt-Stiftung gefördert.

Für ein ausbalanciertes Eigenschaftsprofil von metallischen Werkstoffen im Nieder- und Hochtemperaturbereich ist die Optimierung des Gefüges essentiell. Die Erzeugung einer Matrix-Verstärkungsphasen-Struktur steht in diesem Projekt im Fokus. Zur Erreichung dieses Ziels soll die Methode des mechanischen Hochenergiemahlens bzw. mechanischen Legierens genutzt werden. Diese Methode wird z. B. für oxiddispersionsverfestigte Legierungen angewandt. Für die Synthese von Hochleistungs-Hochtemperaturwerkstoffen soll zunächst eine partikuläre Hartphase (Borid, Silizid oder Oxid) mit einer duktilen metallischen Phase umschlossen werden, um Core-Shell-Partikel herzustellen, die in einem anschließenden Sinterprozess kompaktiert werden.

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Mo-Hf-B and Mo-Zr-B alloys as a new class of refractory alloys are potential candidates in stationary and mobile turbine applications. Due to the high melting points of the constituents high-temperature strength and creep strength are expected up to 1,400 °C. Those high service temperatures, in turn, may result in higher turbine efficiencies and may reduce primary energy consumption.

As a manufacturing route, directional solidification via zone melting as a new processing approach for Mo-Hf-B and Mo-Zr-B results in low oxygen (< 50 ppm) impurities, which is essential to avoid embrittlement of these alloys; moreover the materials possess an anisotropic lamellae-reinforced microstructure.

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The demand for new high temperature alloys increases due to economic reasons and stricter climate protection and resource conservation requirements. For applications in the field of energy conversion, new Mo-Si-B materials are in the focus of current research. There is a specific interest in alloys with a continuous Mo matrix phase and silicide particles, which provide an acceptable fracture toughness and high creep resistance at the same time.
A drawback of potential applications of Mo-Si-B alloys, e.g. as rotating turbine blades, is the density of > 9 g/cm³. Therefore, this project aims into a density reduction of this alloy type, meeting values of < 8 g/cm³. This is challenging because significant losses in the fracture toughness and the creep resistance should be avoided.

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Die Arbeiten konzentrieren sich auf die Entwicklung und Charakterisierung neuartiger mehrphasiger Hochtemperaturmaterialien auf Basis einer Mo-Mischkristallphase (Moss), die mit intermetallischen Mo2ZrB2- und Mo2HfB2-Phasen mit hohen Schmelzpunkten verstärkt ist. Mo-Hf-B und Mo-Zr-B sind eine Klasse von Hochtemperaturwerkstoffen, die verschiedene Anwendungen finden können, z.B. in der Flugzeugindustrie aufgrund hohen Kriechfestigkeit bei den angestrebten Anwendungstemperaturen, die modernen Nickelbasis-Superlegierungen überlegen ist. Kritisch ist jedoch das Werkstoffverhalten im Bereich mittlerer Temperaturen; hier oxidiert das Molybdän, was einen Werkstoffschutz notwendig macht.
Im Rahmen eines Teilprojektes werden dafür selbstheilende Beschichtungssysteme entwickelt, charakterisiert und anwendungsnah getestet. Dieses Beschichtungssysteme bestehen aus einem sauerstofffreien präkeramischen Polymer und sauerstoffbindenden Füllstoffpartikeln wie Si und B. Die Umwandlung in eine geschlossene keramische Schutzschicht erfolgt in inerter Atmosphäre im Temperaturbereich zwischen 800 °C und 1200 °C.
Zyklische Oxidationsversuche belegen eine (noch zu verbessernde) Schutzwirkung der Schicht im Temperaturbereich zwischen 800 °C und 1000 °C; die Wirkung bei höheren Temperaturen wird gegenwärtig untersucht.
Erste Ergebnisse röntgenographischer Untersuchungen zeigen, dass sich durch Zugabe von ZrO2 als weiterem Füllstoff eine Zirkoniummolybdatphase bildet, d. h., die Legierungskomponenten Mo zu stabilen Phasen reagiert und in der Probe verbleibt; das Abdampfen von Mo-Oxiden wird weitgehend verhindert. Die Rolle der Schutzschicht in diesem Prozess ist noch nicht vollständig geklärt und ist Gegenstand weiterführender Untersuchungen.

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The overall objective of the present project is to expand the existing collaboration between the research groups of Prof. Krüger at Otto-von-Guericke-University Magdeburg and Priv.-Doz. Bogomol from the National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky KPI” (Ukraine). Additionally, a new cooperation with the research group of Prof. Smyrnov from the same Ukrainian University will be established. The planned activities should enable a multilateral consortium on the basis of joint research on innovative materials.
The aim of the scientific and technical cooperation is to produce a novel Mo-based alloy for structural applications in a high-temperature gas turbine using an optimized powder metallurgical manufacturing process. The optimum combination of properties of Mo-based alloys can be achieved when the alloy has a fine-grained microstructure with a ductile Mo solid solution matrix and high temperature resistant intermetallic inclusions.

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Die sogenannten High Entropy Alloys (HEAs; dt. Hochentropielegierungen) oder auch Compositionally Complex Alloys (CCAs) stellen eine neue attraktive Werkstoffklasse dar, welche vielversprechende mechanische, physikalische und chemische Eigenschaften aufweisen. Sie bestehen im Gegensatz zu den konventionellen Legierungen auf der Basis eines bestimmten Metalls aus mindestens 5 verschiedenen Elementen in etwa gleichen atomaren Anteilen. Solche Legierungen haben beachtenswerte Eigenschaftenprofile, die sich deutlich von denen der jeweiligen Ausgangskomponenten unterscheiden. Als besonders interessant erscheinen refraktärmetallbasierte HEAs, sie bestehen typischerweise aus Komponenten mit Schmelztemperaturen jenseits von 2000°C. Diese refraktärmetallbasierten HEAs sind neue vielversprechende Werkstoffkandidaten für Hochtemperatur-Strukturwerkstoffe in verschiedenen Bereichen der Energietechnik, z.B. als Gasturbinenschaufel oder Solarreceiver. Darüber hinaus sind aber auch potentielle Anwendungen in der Medizintechnik aufgrund ihrer guten Biokompatibilität denkbar.

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With the aid of density functional theory it is possible to adress many questions regarding metals and intermetallics likewise. Not only it is possible to predict the crystal structure of a solid, but also the ability to investigate and explain site preferences within intermetallics like borides and silicides comes in handy. It is also very important to determine the stability of metals and intermetallics and, in doing so, the electronic and phononic properties is investigated. The phase stability of matrix, side phases and precipitations depends on the temperature and the pressure and therefore one uses first principles calculations to investigate the thermodynamic properties of these metals and intermetallic phases at least qualitatively. The elastic properties of the metals and intermetallics can also be predicted to a very good precision.
Density functional theory is therefore the ideal ansatz to investigate metals and intermetallics as it is accurate and fast.

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In Kooperation mit Prof. K. Yoshimi von der Tohoku University in Sendai, Japan, werden vanadiumbasierte Hochtemperaturwerkstoffe hergestellt und untersucht. Die Auswahl der Werkstoffe erfolgt auf Basis thermodynamischer Phasengleichgewichte. Die Herstellung erfolgt über ein schmelzmetallurgisches Verfahren mit anschließender Wärmebehandlung. Im Rahmen von gegenseitigen Besuchen werden Ergebnisse diskutiert und die Legierungsentwicklung weiter optimiert.

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Künstliche Prothesen können viele Jahre lang erfolgreich in den menschlichen Körper implantiert werden und die Mobilität, Vitalität und Lebensqualität von Patienten verbessern. Eine Vielzahl verschiedener keramischer und metallischer Implantatwerkstoffe, wie z.B. Aluminiumoxid-gehärtetes Zirkoniumdioxid und die Legierungen Ti-Al-V und Co-Cr-Mo sind bereits im klinischen Einsatz. Es besteht jedoch ein ständiger Bedarf und wissenschaftliches Interesse an der Verbesserung der Eigenschaften und der Langlebigkeit von Implantaten in Bezug auf die Verschleißfestigkeit, die Korrosion und insbesondere die Bio- und Gewebeverträglichkeit, um z. B. Entzündungsreaktionen zu verhindern. Die innovative Werkstoffklasse der Bio-Refraktärmetall-Werkstoffe (Bio-MEAs) und Bio-Hochentropielegierungen (Bio-HEAs) stellen einen einzigartigen Designansatz für die Entwicklung neuer biomedizinischer Werkstoffe dar. Neben attraktiven mechanischen Eigenschaften und hervorragender Verschleiß- bzw. Korrosionsbeständigkeit bietet diese Werkstoffklasse Potential für eine verbesserte Biokompatibilität im Vergleich zu bisher genutzten Materialien.
Neben der Entwicklung neuartiger Legierungskonzepte steht auch die Fertigung der biokompatiblen Materialien im Fokus. In den letzten Jahren ist die Nachfrage bezüglich der additiven Fertigung - dem sogenannten 3D-Druck - im Bereich der Industrie aber vor allem auch im Bereich der medizinischen Implantate stark angestiegen. Durch den schichtweisen Aufbau sind hochkomplexe Geometrien in anatomischen Formen sowie filigrane Leichtbaustrukturen realisierbar, welche mit konventionellen Methoden kaum gefertigt werden können. Ein weiterer Vorteil der additiven Fertigung besteht darin, dass benötigte patientenindividuelle Implantate in sehr kurzer Zeit zur Verfügung stehen können. Daraus ergeben sich ganz spezifische Vorteile für die additive Fertigung von Implantaten die ökonomische wie auch patientenwohlbezogene Vorteile mit sich bringen, da Wartezeiten und damit stationäre Liegezeiten sowie daraus resultierende Komplikationen massiv reduziert werden können. Im Zuge des durch den Innovationsfonds der Otto-von-Guericke-Universität (OVGU) Magdeburg geförderten Vorhabens soll die interdisziplinäre Zusammenarbeit des Lehrstuhls für Hochtemperaturwerkstoffe der Fakultät für Maschinenbau der OVGU und dem Forschungsbereich Experimentelle Orthopädie der Orthopädischen Universitätsklinik Magdeburg vertieft werden. Es sollen neue Erkenntnisse zur Entwicklung biokompatibler HEAs/MEAs, innovative Fertigungsstrategien sowie wichtige mechanische Eigenschaften der neuen Werkstoffe untersucht werden.

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The sub-project is related to Engineering Materials to be used in a wide temperature range and under complex mechanical loading. The project will focus on the microstructure/properties relationship of single and multi-phase metallic materials. Theoretical considerations of microstructure evolution or phase stability/transition will be done by Phase-Field Simulation and/or DFT, MD, or other nanoscale-related numerical methods. Mechanical properties will be determined from (micro and nano) indentation, bending, compression as well as creep tests.

A simulation-supported approach shall be used to develop further these materials.

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Hochtemperaturfeste Mo-Si-B-Werkstoffe werden als geeignete Substituenten für Nickelbasiswerkstoffe intensiv untersucht. Ein bekanntes Problem dieser Werkstoffe ist ihr Oxidationsverhalten. Vor allem die Mo-Mischkristallphase oxidiert in Abhängigkeit von der Temperatur katastrophal unter Bildung eines volatilen Mo-Oxids. Mit bisher bekannten Schutzschichtsystemen konnte dieses Problem bislang nicht zufriedenstellend gelöst werden. Ziel des Projekts ist die Entwicklung neuen Schutzsystems auf Basis füllstoffhaltiger präkeramischer Polymere mit hoher Oxidationsbeständigkeit.

Im Rahmen des Teilprojektes werden Oxidationsschutzschichtsysteme auf Basis präkeramischer Polymere vom Polysilazantyp mit sauerstoffaufnehmenden Füllstoffpartikeln (Si, B, Silicide) entwickelt und in anwendungsnahen Oxidationstests bezüglich ihrer Schutzwirkung getestet. Vielversprechende Zusammensetzungen enthalten neben einem Perhydropolysilazan 25 Vol. % Silicium und 15 Vol.-% Bor; beide Füllstoffe bilden unter Sauerstoffaufnahme ein niedrigviskoses Glas, das in der Lage ist, Mikrorisse im Schichtsystem und auf der zu schützenden Werkstoffoberfläche zu schließen. Modifizierungen der Schutzschichten werden gegenwärtig mit dem Füllstoff Bornitrid durchgeführt. Oxidationsuntersuchungen der bei 1000 °C in Stickstoff pyrolysierten, beschichteten Refraktärmetall-Legierungen zeigen einen sehr gut ausgeprägten Oxidationsschutz bei 800 °C, der über den Untersuchungszeitraum von 100 Stunden nach anfänglicher Massezunahme keine weiteren Masseänderungen aufwies und somit auf eine hohe Schutzwirkung hindeutet.

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Hochtemperaturfeste Mo-Si-B-Werkstoffe werden als geeignete Substituenten für Nickelbasiswerkstoffe intensiv untersucht. Ein bislang ungelöstes Problem dieser Werkstoffe ist ihr Oxidationsverhalten. Vor allem die Mo-Mischkristallphase oxidiert in Abhängigkeit von der Temperatur katastrophal unter Bildung eines volatilen Mo-Oxids. Mit bisher bekannten Schutzschichtsystemen konnte dieses Problem bislang nicht zufriedenstellend gelöst werden. Ziel des Projekts ist daher die Entwicklung eines neuartigen, aktiven Schutzsystems auf Basis füllstoffhaltiger präkeramischer Polymere mit hoher Sauerstoffaufnahmekapazität in Kombination mit dem Hemmen der Sauerstoffdiffusion in Kooperation mit Prof. M. Scheffler (Lehrstuhl Nichtmetallische Werkstoffe).

Am Lehrstuhl von Prof. Krüger werden dazu geeignete aktive Füllstoffpartikel hergestellt, die anschließend über einen Schlicker mittels eines Tauchbeschichtungspozesses auf die Substratmaterialien aufgetragen werden. Oxidationsuntersuchungen bei unterschiedlichen Temperaturen mit anschließender Analyse der Schicht bzw. der Schicht-Substrat-Grenzfläche sollen zeigen, inwieweit das Oxidationsverhalten des Substrates durch die neuen Beschichtungssysteme beeinflusst wird.

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Die Anforderungen, welche an Medizinprodukte und Bauteile der Medizintechnik gestellt werden, sind stark von deren Gebrauch abhängig. Lange Zeit wurden biokompatible Materialien als chemisch und biologisch inert innerhalb des menschlichen Körpers angesehen, was inzwischen revidiert wurde, da immer eine Antwort des Körpers stattfindet.
Nanostrukturierte Biomaterialien, u.a. auf Refraktärmetallbasis, können für die Zukunft der biomedizinischen Industrie von hohem Interesse sein und stehen deshalb zunehmend im Fokus der aktuellen Forschung. Ihre grundlegend gute Verträglichkeit im menschlichen Körper zusammen mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften sind dabei auschlaggebend. Die Verwendung von Titan und Titan-Legierungen in der Chirurgie hat aufgrund deren guter Eigenschaftskombination im Vergleich zu anderen metallischen Implantatwerkstoffen, wie Edelstahl und Kobalt-Chrom-Legierungen, stetig zugenommen. Biokompatibles Titan und Titan-Basis-Legierungen zeichnen sich durch eine gute Dauerfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und eine geringe Dichte aus, was ein hohes spezifisches Festigkeits-Gewichts-Verhältnis ergibt, das leichtere und stärkere Strukturen ermöglicht. Eine der beliebtesten Titanlegierungen, die heute in der Medizin verwendet wird, ist Ti-6Al-4V. Allerdings können auch zugelassene Medizinwerkstoffe noch hinsichtlich ihrer Akzeptanz im menschlichen Körper optimiert werden.
In diesem Projekt werden erste Zellpopulationsexperimente auf neuen, innovativen Werkstoffen mit mesenchymalen Stammzellen und Osteoblasten durchgeführt. Sie sind ein perfekter Indikator für Biokompatibilität und Zelleinwuchsverhalten für potenzielle Implantatwerkstoffe bzw. anderweitig einsetzbare Medizinwerkstoffe.

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Nickelbasis-Superlegierungen sind aktuell die Materialklasse der Wahl für Hochtemperaturanwendungen im Turbinenbau. Vanadium-Silizid-Werkstoffe stellen eine potentielle Alternative dar, insbesondere aufgrund ihrer hervorragenden spezifischen mechanischen Eigenschaften. So bestehen beispielsweise V-Si-B-Legierungen aus dem vanadium-reichen Bereich des Dreistoffsystems aus einem duktilen Vanadium-Mischkristall (V-Mk) und den beiden intermetallischen Phasen V₃Si und V₅SiB₂. Dieses bislang nur wenig erforschte Legierungssystem birgt jedoch in Hinblick auf die Mikrostruktur einige erstaunliche Gemeinsamkeiten zum gut untersuchten Nachbarsystem Mo-Si-B. So konnten in ersten Vorversuchen an V-Si-B-Legierungen deutlich bessere spezifische Druckfestigkeiten im Temperaturbereich von 600 °C bis 900 °C gegenüber Ni-Basislegierungen erzielt werden. Jedoch ist der Mechanismus der Phasenentstehung sowie die Korrelation der Mikrostruktur-Eigenschaftsbeziehungen noch vollkommen unerforscht. Das primäre Ziel dieses Vorhabens ist die Entwicklung neuartiger V-Si-B-Legierungen für Hochtemperaturanwendungen. Hierbei wird die Entwicklung ternär-eutektischer Legierungen angestrebt. In einer Reihe von V-reichen binären und ternären Versuchslegierungen wird die Phasenbildung und -stabilität von der Schmelze bis zum homogenisierten Gefüge erforscht.

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Background
Due to the low density in combination with a high melting point, vanadium demonstrates a great lightweight potential for turbines in aircrafts or energy industry. Since vanadium as a structural material is in focus of research only recently, the effects of several alloying elements on the materials properties are not or insufficiently examined yet.

Objective
The investigation of the microstructure-property relationship in binary, ternary and quaternary V-based alloys in order to use the findings to improve high-temperature alloys based on V-Si-B.

Methods
By means of ingot metallurgy (arc-melting process), vanadium samples with different concentrations of alloying elements were manufactured. Resulting from this, single phase vanadium solid solutions (Vss), two-phase and three-phase alloys were produced. Microhardness measurements and compression tests were carried out to determine the mechanical properties in dependence on the alloying components. SEM (Scanning Electron Microscopy) and XRD (X-ray Diffraction) methods were used to examine the microstructure, to identify phases and to measure elements concentration in the respective phases.

Results
The combination between mechanical characteristics and microstructural investigations enables conclusions concerning the materials behavior and the efficiency of solid solution strengthening and second phase strengthening.

Conclusions
The elements Cr, Mo and Nb have a high potential for improving the microstructure property relationship in modern V-Si-B alloys.

Orignality
Basic research on the effects of various alloying elements in vanadium solid solution, as well as in promising ternary V-Si-B high temperature alloys.

Keywords
Vanadium-based alloys, microstructure-property-relationship, intermetallics, V-Si-B-X, vanadium solid solution phase

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Mehrphasige Vanadiumlegierungen stehen wegen ihrer hervorragenden mechanischen Eigenschaften im Fokus der aktuellen Forschung an neuen Hochtemperaturwerkstoffen. Durch die Kombination der duktilen Vanadium-Mischkristallphase mit hochfesten intermetallischen oder intermediären Phasen wird ein Werkstoff mit optimierten Eigenschaften entwickelt.

Im Projekt LextrA (https://forschung-sachsen-anhalt.de/project/lextra-laserbasierte-additive-fertigung-20506) wurden erstmals verschiedene Vanadiumwerkstoffe mittels des additiven Fertigungsverfahrens DED (Direct Energy Deposition) zu kompakten Probekörpern verarbeitet.
Mittels DED wurden am ILT Aachen Oxidpartikel in mehrphasige Vanadiumwerkstoffe eingebracht, um die mechanischen Eigenschaften zu optimieren. Die Forschungsaufgabe besteht darin, an der OVGU die neuen Werkstoffe bezüglich der homogenen Verteilung der Partikel im Gefüge zu untersuchen und deren Wirkungsweise zu beschreiben. Die festigkeitssteigernde Wirkung der eingebrachten Partikel wird im Vergleich zu einem partikelfreien Referenzwerkstoff quantitativ ausgewertet.

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Vanadiumlegierungen haben aufgrund ihrer exzellenten mechanischen Eigenschaften das Potential, als zukünftige Strukturwerkstoffe eingesetzt zu werden. Bei erhöhten Temperaturen oxidieren Vanadiumwerkstoffe allerdings stark, wodurch deren Einsatzbereich aktuell auf typische Umgebungstemperaturen beschränkt ist.

In dem DFG-finanzierten Kooperationsprojekt "Oxidationsschutzschichten für Vanadiumwerkstoffe" (Projektnummer 39807701, Laufzeit bis 02/2019) wurden passende Oxidationsschutzschichten entwickelt. Diese wurden im Labor von Prof. J. Perepezko (University of Wisconsin-Madison, USA) mittels des speziellen Pulverpack-Verfahrens appliziert. Am IWF werden diese Schicht-Substrat-Verbunde eingehend mit verschiedenen mikroskopischen Methoden untersucht und deren Schutzwirkung überprüft.

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Im Rahmen der Kooperation mit der Arbeitsgruppe "High Temperature Materials and Powder Metallurgy" der Nationalen Technischen Universität der Ukraine "KPI” in Kiew werden komplex aufgebaute, hochschmelzende Werkstoffe entwickelt. Diese werden entweder über pulvermetallurgische Prozesse oder über einen tiegelfreien Zonenschmelzprozess hergestellt. Die neuen Werkstoffe werden an der OVGU hinsichtlich ihrer mikrostrukturellen Besonderheiten untersucht und bei hohen Temperaturen geprüft.

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Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung eines Beschichtungssystems zum Aufbau komplexer Funktionen für den effektiven Bauteilschutz von Mo-Si-B-Legierungen; dieses System besteht aus einem sauerstofffreien präkeramischen Polymer vom Polysilazantyp, das sich an Luft verarbeiten und mit keramischen und/oder metallischen Partikeln füllen lässt. Die Füllstoffe haben drei Funktionen: die Erhöhung der Schichtdicke im Vergleich zum ungefüllten Beschichtungssystem; die Reduzierung der durch den Übergang vom Polymer zur Keramik bedingten Schwindung des Schichtwerkstoffs und die Bildung neuer Phasen durch Reaktion zwischen präkeramischem Polymer, Füllstoff und Komponente(n) und der Serviceatmosphäre, die eine mögliche Volumenänderung durch abrassive/oxidative Prozesse an der (beschichteten) Bauteiloberfläche kompensieren sollen (Volumenausdehnung der Füllstoffe bei Aufnahme von Sauerstoff). Phasenanalyse, -zusammensetzung und -zustand werden mittels Röntgendiffraktometrie erfasst (XRD; bei Vorliegen nennenswerter Anteile kristalliner Phasen werden Rietveld-Analysen durchgeführt).

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Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung eines Beschichtungssystems zum Aufbau komplexer Funktionen für den effektiven Bauteilschutz von Mo-Si-B-Legierungen; dieses System besteht aus einem sauerstofffreien präkeramischen Polymer vom Polysilazantyp, das sich an Luft verarbeiten und mit keramischen und/oder metallischen Partikeln füllen lässt. Die Füllstoffe haben drei Funktionen: die Erhöhung der Schichtdicke im Vergleich zum ungefüllten Beschichtungssystem; die Reduzierung der durch den Übergang vom Polymer zur Keramik bedingten Schwindung des Schichtwerkstoffs und die Bildung neuer Phasen durch Reaktion zwischen präkeramischem Polymer, Füllstoff und Komponente(n) und der Serviceatmosphäre, die eine mögliche Volumenänderung durch abrassive/oxidative Prozesse an der (beschichteten) Bauteiloberfläche kompensieren sollen (Volumenausdehnung der Füllstoffe bei Aufnahme von Sauerstoff). Phasenanalyse, -zusammensetzung und -zustand werden mittels Röntgendiffraktometrie erfasst (XRD; bei Vorliegen nennenswerter Anteile kristalliner Phasen werden Rietveld-Analysen durchgeführt).

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The use of innovative materials contributes to the energy and resource efficiency of technical processes. Ultra-high temperature materials based on intermetallic phases and refractory metals have the potential to substantially increase the efficiency of gas turbines. This requires fundamental scientific research on microstructure-properties relationships of potential multi-phase alloys.
For the project LextrA we selected different intermetallic materials based on iron aluminides, vanadium silicides and molybdenum silicides. Conventional ingot metallurgical processes are limited in their applicability due to the high melting point of the intermetallic and refractory materials. Additive manufacturing techniques provide new options to allow the integration of complex cooling structures in turbine blades and are resource efficient alternatives of conventional processes. This combination of optimized material and improved cooling system will result in a significant increase in the operation temperature of modern gas turbines, which leads to higher process efficiency. The project consortium evaluates the applicability of two additive manufacturing processes, namely directed energy deposition (DED) and laser powder bed fusion (LPBF).

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Im Rahmen des Promotionsvorhabens soll die Herleitung eines Materialermüdungsmodells zur Lebensdauerprognose in Kooperation mit dem Institut für Mechanik (apl. Prof. Naumenko) erfolgen. Grundlegend dafür ist es, die mechanischen Eigenschaften von aktuellen Nickelbasiswerkstoffen und neuen Molybdänbasiswerkstoffen im potentiellen Anwendungstemperaturbereich der Turbine zu ermitteln. Das Modell soll auf ausgewählte Schaufelgeometrien angewandt werden.

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Im Projekt FlexiDS soll in Kooperation mit dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) der Prozess der gerichteten Erstarrung in verschiedenen Hochtemperaturmaterialien mit in-situ Röntgenbeugung untersucht werden. In diesem Rahmen soll eine innovative in-situ Probenumgebung für gerichtete Erstarrung an der HEMS-Beamline (High Energy Material Science) des DESY (Deutschen Elektronen Synchrotron, Hamburg) entwickelt und aufgebaut werden. Diese wird den beteiligten Partnern völlig neue Forschungs- und Charakterisierungsmöglichkeiten durch direkte Beobachtung des gerichteten Erstarrungsprozesses bieten. Das Helmholtz-Zentrum-Geesthacht (HZG), das diese Beamline betreut, wird die Konzeption, den Bau und den Betrieb der Probenumgebung unterstützen.

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Teilprojekt:  Mikrostrukturelle Schädigung von beschichteten AlSi-Werkstoffen unter mechanischer und thermischer Belastung

Bearbeitung: Dipl.-Ing. Philipp G. Thiem     
  
Neue intermetallische Schichtsysteme auf AlSi-Substraten werden untersucht.  Die beschichteten Werkstoffe werden dabei  sowohl statischen als auch zyklischen Belastungen unterworfen, um die Auswirkungen der Legierungszusammensetzung, der Mikrostruktur und der Schichtdicke auf die Rissentstehung  und die Rissausbreitung im anwendungsrelevanten Temperaturbereich zu untersuchen. Werkstoffkennwerte, z.B. der Elastizitätsmodul, und weitere Parameter wie die Haftfestigkeit der Schicht sollen dabei in die Modellierung der Schädigungsmechanismen in diesem Werkstoffverbund einbezogen werden.  

Teilprojekt:  Rissinitiierung und Rissausbreitung in mehrphasigen Hochtemperaturwerkstoffen

Bearbeitung: M.Sc. Julia Becker    

Mehrphasige Hochtemperaturwerkstoffe werden in Bezug auf die Rissinitiierung in den einzelnen Phasen, den Rissfortschritt und ihre Bruchzähigkeit untersucht. Erste Experimente zur Risseinleitung und Rissausbreitung wurden an pulvermetallurgisch hergestellten Mo-Si-B-Legierungen mit Hilfe der Eindruck-Bruchmechanik-Methode durchgeführt. Die Erkenntnisse daraus sollen auf gerichtet erstarrte mehrphasige Molybdänwerkstoffe übertragen werden.

Mitarbeit in weiteren Teilprojekten:
* Experimental Investigations and Numerical Simulations of Lamellar Cu-Ag Composites

Bearbeitung: M. Sc. Srihari Dodla
Betreuung: Prof. A. Bertram, Prof. M. Krüger

* Crystal Viscoplasticity Based Simulation of Ti-Al Alloy under High-Temperature Conditions

Bearbeitung: M. Sc. Helal Chowdhury
Betreuung: Prof. K. Naumenko, Prof. H. Altenbach, Prof. M. Krüger

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The invention relates to a metal cast component, which is intended in particular for parts of internal combustion engines or piston compressors, such as pistons, gearboxes, crankcases and other housings and/or cylinder heads, wherein the cast component consists at least in certain portions of an iron aluminide and/or is a composite cast component comprising at least two portions, which consist of a cast iron and/or an iron aluminide and/or a light metal. The invention also relates to a method for producing a metal cast component, in particular for parts of internal combustion engines or piston compressors, such as pistons, gearboxes, crankcases and other housings and/or cylinder heads, which consists of one or more cast materials such as cast iron and/or iron aluminide and/or light metal, in which method a first portion of the cast component is produced in a first casting operation and a further portion of the cast component is produced in a further casting operation and a coating, in particular of iron aluminide and/or a nickel alloy, is applied as a coupling agent layer to the first portion before the further casting operation.

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Intermetallische Phasen, Karbide und Oxide eignen sich hervorragend als Verstärkungsphasen für hochschmelzende Verbundwerkstoffsysteme. In diesem Vorhaben sollen in-situ-Verbundwerkstoffe mittels eines speziellen tiegelfreien Zonenschmelzverfahrens hergestellt werden. Mit dem Ziel, eine faserartige oder lamellare Morphologie der Verstärkungsphasen zu erzielen, werden im ersten Schritt geeignete Legierungssysteme identifiziert. Die Ausgangswerkstoffe in Pulverform werden dann entsprechend der nominellen Zusammensetzung gemischt und kalt verpresst, um anschließend lokal aufgeschmolzen und gerichtet abgekühlt zu werden. Die physikalischen und mechanischen Eigenschaften werden dann im nächsten Schritt mittels geeigneter Mess- und Analyseverfahren ermittelt. Es erfolgt eine vergleichende Gegenüberstellung mit bekannten Hochtemperaturwerkstoffen.

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Das Anforderungsprofil an Hochtemperaturwerkstoffe für komplexe technische Anwendungen besteht aus guten mechanischen Eigenschaften im gesamten Einsatzbereich und ausreichender Oxidationsbeständigkeit. Im Fall von dynamisch bewegten Bauteilen stellt außerdem die Dichte ein wichtiges Kriterium für die Werkstoffauswahl dar. Hochschmelzende Werkstoffe auf Vanadiumbasis (T_s = 1910°C) haben den Vorteil, dass die Dichte gegenüber Referenzwerkstoffen wie Nickellegierungen um etwa 30% und gegenüber Stählen um etwa 20% reduziert werden kann. In diesem Projekt soll der Grundstein für die Entwicklung hochfester Vanadiumwerkstoffe gelegt werden. Im ersten Ansatz werden Vanadium-Silizium-Mischkristall-Werkstoffe über den Prozess des mechanischen Legierens hergestellt und deren Eigenschaften ermittelt. Die Anwendung von kinetischen Modellen unter Berücksichtigung der realen Prozessgrößen dient dazu, den Prozess des mechanischen Legierens für dieses Werkstoffsystem zu verstehen und zu optimieren. Im nächsten Schritt werden Silizidphasen (z.B. V₃Si und V₅SiB₂) in die Mischkristallwerkstoffe integriert, um die Hochtemperaturfestigkeit zu optimieren.

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Molybdän-Silizium-Bor-Legierungen gelten als attraktive Hochtemperaturwerkstoffe mit Eigenschaften jenseits bekannter Nickelbasis-Superlegierungen. Für Prozesse wie die gerichtete Erstarrung durch Zonenschmelzen oder das Selektive Laserstrahlschmelzen sind eutektische Mo-Si-B-Legierungen besonders interessant, weil sie zur Herstellung von Faser-Matrix-Strukturen geeignet sind. 
Zur Bestimmung des eutektischen Punkts im Dreiphasengebiet Mo-Mo₃Si-Mo₅SiB₂ werden die Abkühlpfade verschiedener Legierungen untersucht und mit thermodynamischen Simulationen verglichen. Die mikrostrukturellen Merkmale dieser Werkstoffe werden mit den mechanischen Eigenschaften bis hin zu 1400°C korreliert.

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Das Projekt bezieht sich auf die Anwendung einer energieeffizenten Methode zur Herstellung von neuartigen Refraktärmetalllegierungen mit Schmelztemperaturen oberhalb von 2000°C. Diese Werkstoffe bringen das Potential mit sich, die derzeit eingesetzten Nickelbasis-Superlegierungen mit maximalen Anwendungstemperaturen von etwa 1100°C zu substituieren. Mit Hilfe einer solchen Werkstoffsubstitution kann z.B. in Aggregaten zur Energiegewinnung ein Beitrag zur thermodynamischen Wirkungsgradsteigerung geleistet werden.
In unserem Ansatz werden Legierungen mit intermetallischen Strukturen in nur einem Prozessschritt direkt aus einer Mischung elementarer Pulver hergestellt, wobei Größe und Verteilung der Mikrostrukturbestandteile gezielt durch die Herstellungsparameter beeinflusst werden. Der ukrainische Partner stellt einen speziell für derart hochschmelzende Werkstoffe konzipierten Zonenschmelzofen zur Verfügung. Die Expertise des deutschen Partners soll dahingehend genutzt werden, die Zusammenhänge zwischen der Mikrostruktur und den Eigenschaften der neuen Werkstoffe zu charakterisieren. Die neuartigen Werkstoffe und die einzigartige Herstellungstechnologie können im Energieversorgungssektor, in der Flugzeugindustrie und weiteren Bereichen eingesetzt werden, in denen extreme Bedingungen hinsichtlich der thermischen und mechanischen Belastung gefordert sind.

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Im Rahmen steigender Sicherheitsanforderungen im Automobilbau sollen für crashrelevante Bauteile Werkstoffe zum Einsatz kommen, die während einer Kollision Energie aufnehmen und diese optimal  über das gesamte Bauteil verteilen können. Der hohe Grad der Energieabsorption von aktuell eingesetzten TWIP-Stählen beruht auf der Bildung von Verformungszwillingen im Kristallgitter. Dieser Verformungsmechanismus ermöglicht eine hohe Energieaufnahme bei gleichzeitig geringer Verformung. Jedoch ist die Herstellung von TWIP-Stählen vor allem durch Verwendung teurer Legierungselemente kostenintensiv. Zudem sind TWIP-Stähle nur bedingt schweißbar und schlecht umformbar. 
Im Rahmen des geplanten Vorhabens soll ein tiefergehendes Verständnis der Mechanismen bei schlagartiger Verformung von Stählen mit verschiedensten Legierungselementen entwickelt werden, um eine Aussage zu deren Eignung als Werkstoffe für crashrelevante Bauteile zu erhalten.

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Alloy having a content of cobalt C(Co) that is greater than the content C(i) of a further any desired alloy element (i), a content of rhenium C(Re) and a content of boron C(B), is claimed, where the content of rhenium C(Re) in atom% compensates 5= C(Re) less than C(Co) and the content of boron C(B) in atom% compensates 0.007= C(B) less than MIN (7; C(Co)), where MIN (7; C(Co)) defines the smaller of the two values.

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Im Teilprojekt Werkstoffe wird ein Beitrag zur Charakterisierung der Mikrostruktur und der Eigenschaften von strukturierten und beschichteten Zylinderlaufflächen im Hinblick auf die Verringerung von Reibungsverslusten geleistet.

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Im Hinblick auf eine Erhöhung des Wirkungsgrades von Verbrennungskraftmaschinen, z.B. durch die Verringerung der Gesamtreibung des Systems mittels Reduzierung der dynamisch bewegten Massen, sollen Materialien mit einer hohen spezifischen Festigkeit und Steifigkeit zum Einsatz kommen. Gegenüber anderen Leichtmetalllegierungen wie Al-Si- oder Ti-Al-Werkstoffen zeichnen sich Eisenaluminide durch ihre erhöhte Hochtemperaturfestigkeit, Kriechbeständigkeit und Ermüdungsfestigkeit aus. Fe3Al-Werkstoffe sind auf Grund ihrer sehr guten Korrosions- und Verschleißeigenschaften prädestiniert für den Einsatz in einer Verbrennungskraftmaschine. Mit diesem hervorragenden Eigenschaftsprofil können Fe3Al-Legierungen z.B. zur Verstärkung von Leichtmetallgussteilen aus Aluminium oder zur Beschichtung von Al-Bauteilen mit dem Ziel der Steigerung der Hochtemperatur- und Verschleißfestigkeit eingesetzt werden.

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An geschweißten Stählen werden vergleichende Untersuchungen zu den Festigkeits- und Verformungseigenschaften durchgeführt. Es erfolgt außerdem eine Charakterisierung der Mikrostrukturen und der Bruchflächen.

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Das Hauptaugenmerk der Werkstoffentwicklung im Bereich des Kurbeltriebs (einschließlich des Kolbens) im Hinblick auf eine Erhöhung des Wirkungsgrades durch z.B. Verringerung der Gesamtreibung des Systems ist darauf gerichtet, Materialien mit einer möglichst hohen spezifischen Festigkeit und Steifigkeit einzusetzen, da damit die dynamischen Massen im System reduziert werden können und konstruktiver Leichtbau optimal unterstützt wird. Neben den genannten Eigenschaften sind eine hinreichend gute Duktilität sowie Zähigkeit für den Widerstand gegen Rissfortschritt und eine hohe Dauerschwingfestigkeit entscheidende Kriterien für die Werkstoffauswahl.

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Das Verhalten verschiedener FeAl(-X)-Legierungen wurde mittels mechanischer Versuche unter statischer und zyklischer Beanspruchung bei Raumtemperatur sowie bei höheren Temperaturen charakterisiert. Es erfolgte eine Analyse der Gefüge-Eigenschafts-Beziehungen.

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Metallische Werkstoffe, die Oberflächentemperaturen größer 1200°C bei gleichzeitiger hoher mechanischer Belastung in Luftatmosphäre dauerhaft widerstehen können, sind nicht nur aus volkswirtschaftlichen und Umwelt-Gesichtpunkten (Schonung fossiler Ressourcen, Verringerung der Schadstoffbelastung) von großem Interesse. Für die Werkstoffwissenschaft und angrenzende Disziplinen ergibt sich daraus einerseits die reizvolle Aufgabe, mit metallurgischen bzw. metallphysikalischen Prinzipien nach Legierungen zu suchen, die das oben angesprochene Anforderungsprofil erfüllen können. Andererseits müssen diese neu zu entwickelnden Legierungssysteme eingehend charakterisiert werden, um ihre Eignung hinsichtlich der gestellten Aufgabe unter Beweis zu stellen und im Rückschluss mit den Legierungsentwicklern optimierte Lösungen zu finden. Hier setzt die Forschergruppe an, mit dem Fokus auf die nachfolgenden zwei Legierungssysteme: Mo-Si-B, das bereits seit mehreren Jahren international beforscht wird und wofür die gebildete Forschergruppe bereits sehr gute Vorkenntnisse besitzt, Co-Re, für das in der Literatur bislang nur geringe Kenntnisse vorhanden sind, das jedoch von der Forschergruppe als sehr Erfolg versprechend eingestuft wird. Beide Systeme besitzen Schmelzpunkte, die mindestens 250°C über denen der heute eingesetzten Ni-Basis-Superlegierungen liegen. Die zentrale Aufgabe der Legierungsentwicklung und das Ziel dieser Forschergruppe bestehen nun einerseits darin, weitere Legierungselemente zu finden, die eine Verbesserung der für einen (Last tragenden) Hochtemperatureinsatz essentiellen, nachfolgend aufgelisteten Eigenschaften erlauben: Oxidationsbeständigkeit, Kriechwiderstand, Zähigkeit und Duktilität bei tiefen Temperaturen (Raumtemperatur), Ermüdungswiderstand. Die drei erstgenannten Eigenschaften wurden im ersten Förderzeitraum intensiv untersucht. Als ein „Highlight“ ist in der zweiten Projektphase die Duktilisierung der Mo‑Si-Mischkristallphase, welche die Matrix im System Mo-Si-B bildet, durch (Mikro-) Legieren gelungen. Eine Zugabe von Zr bewirkt durch die Stärkung der Korngrenzen sowohl eine Festigkeitssteigerung als auch eine Erhöhung der Duktilität, wie es in der unten stehenden Abbildung anhand einer Beispiellegierung gezeigt wird. Außerdem soll das (komplexere) Ermüdungsverhalten nach Identifikation von viel versprechenden Legierungszusammensetzungen untersucht werden.

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