Oxidation and mechanical behavior of Al-containing MAX phase materials

Li, Xiaoqiang; Schwaiger, Ruth (Thesis advisor); Gonzalez-Julian, Jesus (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022

Kurzfassung

MAX-Phasen sind aufgrund ihrer einzigartigen Kombination von Eigenschaften vielversprechend für Hochtemperaturanwendungen und schließen die Lücke zwischen Metallen und Keramiken. Als größte Gruppe der MAX-Phasen haben Al-haltige MAX-Phasen aufgrund ihrer hervorragenden Oxidationsbeständigkeit und mechanischen Eigenschaften große Aufmerksamkeit für die Anwendung als Strukturmaterialien in Energieerzeugungssystemen auf sich gezogen. Um einen langfristigen Betrieb und eine lange Lebensdauer zu gewährleisten, müssen die Al-haltigen MAX-Phasen ihre mechanische Stabilität auch bei erhöhten Temperaturen beibehalten. Insbesondere Kriechen kann bei hohen Temperaturen zu mechanischer Instabilität führen. Al-haltige MAX-Phasen, die aufgrund ihrer hervorragenden Oxidationsbeständigkeit und ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften hohe Praxisrelevanz aufweisen, waren im Fokus der aktuellen Forschungsarbeit. Als am besten geeignete Vertreter der Al-haltigen MAX-Phasen wurden in dieser Forschungsarbeit als Nitrid Ti2AlN und als Karbide Ti2AlC und Ti3AlC2 ausgewählt. Ti2AlN, Ti2AlC und Ti3AlC2 wurden mit unterschiedlichen Mikrostrukturen für die verschiedenen Untersuchungen hergestellt. Das Ziel war dabei insbesondere eine umfassende Charakterisierung verschiedener Zusammensetzungen, Mikrostrukturen und potenzieller damit verbundener Effekte auf die mechanischen Eigenschaften. Für eine zuverlässige Anwendung ist ein umfassendes Verständnis des mechanischen Verhaltens und der anisotropen Eigenschaften erforderlich. Daher wurden Nanoindentation und Elektronen-Rückstreu-Beugungsanalyse kombiniert, um den Elastizitätsmodul und die Härte von Ti2AlN mit der kristallographischen Orientierung zu korrelieren. Darüber hinaus wurden zwei verschiedene Modellierungsansätze angewandt mit dem Ziel das anisotrope mechanische Verhalten der MAX-Phasen besser zu verstehen, es zu validieren und damit eine Grundlage für eine Vorhersage zu schaffen. Basierend auf den Modellen wurde die mechanische Anisotropie von Ti2AlC und Ti3AlC2 evaluiert. Darüber hinaus wurden bei allen Materialien der E-Modul und die Härte durch Mikroeindruckversuche bei Raumtemperatur bestimmt. Da für viele Anwendungen das abrasive Verhalten und die Oxidationsbeständigkeit von Relevanz sind, wurden für alle Materialien Sandstrahlversuche durchgeführt und desweiteren ihr Oxidationsverhalten charakterisiert. Kriechdruckversuche, die an Ti2AlN, Ti2AlC und Ti3AlC2 in Luft durchgeführt wurden, tragen zum Verständnis der Langzeit-Hochtemperaturstabilität bei. Unter den gewählten Testbedingungen scheint das Kriechverhalten von Ti2AlN, Ti2AlC und Ti3AlC2 durch Korngrenzengleiten kontrolliert zu sein. Die Texturierung innerhalb von Ti2AlC und Ti3AlC2 hat dabei einen vernachlässigbaren Einfluss auf das Kriechverhalten. Insgesamt trägt die Untersuchung der Herstellbarkeit, der anisotropen mechanischen Eigenschaften, der Abriebfestigkeit, des Oxidationsverhaltens sowie der Hochtemperatur-Kriechverformung von Al-haltigen MAX-Phasen zum grundlegenden Verständnis der Materialeigenschaften bei und liefert einen wichtigen Beitrag für das Design und die Weiterentwicklung dieser Materialien für den Einsatz als Strukturmaterialien in verschiedenen Anwendungsbereichen.

Einrichtungen

• Lehrstuhl für Werkstoffe der Energietechnik (FZ Jülich) [413410]
• Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik [520000]
• Lehrstuhl für Keramik und Institut für Gesteinshüttenkunde [524110]