Institut für Werkstofftechnik
Lehrstuhl für Materialkunde und WerkstoffprüfungProf. Dr.-Ing. H.-J. Christ
1
Franz Müllera, Bronislava Gorra, Hans-Jürgen Christa, Hans Chenb, Alexander Kauffmannb, Martin Heilmaierb
aInstitut für Werkstofftechnik Universität Siegen, SiegenbInstitut für Angewandte Materialien, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Karlsruhe
GO 2283/4
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Content
I. Motivation
II. Microstructure
a) Nb-Mo-Cr-Ti-Al
b) Ta-Mo-Cr-Ti-Al
III. High temperature oxidation behaviora) Nb-Mo-Cr-Ti-Al
b) Ta-Mo-Cr-Ti-Al
IV. Summary
V. Outlook
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Motivation
3
Ti
Nb
?
time
Tem
per
atu
re
multi-phase
Kinetics + Thermodynamic
Cr
Mo Ta
Al
single-phase
stable phasecompositions
microstructure + morphology strength
High Entropy Alloy
Compositionally Complex Alloy
High melting point
strength
corrosion resistancelow density
High temperaturematerials
corrosion resistance
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II. Microstructure
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Nb-Mo-Cr-Ti-Al
Cr2(Nb,Al)
BCC(B2)
Al(Mo, Nb)3
20 µm
a b
Al
Mo, Nb
(Mo, Nb)3Al (A15) c
a b
Nb, Al
Cr
Cr2 (Nb, Al) (C14)c
Minor amounts of (Al,Cr)3Ti (AuCu3)
300 µm
BCC (B2)
(Mo,Al,Nb,Cr)(Mo,Al,Nb,Ti)
20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
1000
2000
3000
4000
Inte
nsity [
a.u
.]
2 [°]
Nb-Mo-Cr-Ti-Al Al (Mo,Nb)
3
Cr2Nb (C14)
BCC-Matrix
1300°C-20h-Ar
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(Mo, Nb)3Al A15
(Cr2Nb)Laves Phase
5 µm
Nb-Mo-Cr-Ti-Al
50 µm
5 µm
initial state 24h at 1000°C0 600 1200-4
-2
0
2
NbMoCrTiAl, 1300 °C/20 h
t / min
DS
C / n
V/m
g
5.5h
at 1000°C
Vol. fraction A15: 60%Vol. fraction A15: 0,3%
20 µm
72h at 1000°C
20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 1200
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
Inte
nsity [
a.u
.]
2 [°]
0h
24h
72h
Nb-Mo-Cr-Ti-Al
Al (Mo,Nb)
3
Cr2Nb (C14)
BCC-Matrix
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Ta-Mo-Cr-Ti-Al
BCC(B2)
Cr2Ta
100 µm20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
1000
2000
3000
Inte
nsity [
a.u
.]
2 [°]
BCC (B2)
Cr2Ta
(C14)
ab
Ta
Cr
Laves Phases (Cr2(Ta,Al))c
ZA:(110)
BCC (B2)
(Mo,Al,Ta,Cr)(Mo,Al,Ta,Ti)
1400°C-20h-Ar
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Ta-Mo-Cr-Ti-Al
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0h
Ageing at 1000°C
50 µm 50 µm
50 µm 50 µm
1. No further intermetallic phases observed2. Vol. fraction of Cr2Ta Laves Phase
increases
10.4
20.725.0 26.8
0
10
20
30
0 25 50 75 100 125 150 175
Vo
l. [
%]
time [h]
Vol. fraction Cr2Ta
Vol. fraction determined by BSE image contrast
24h
72h 172h
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III. High temperature oxidation behavior
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Nb/Ta-Mo-Cr-Ti-Al 1000°C-air
10
0 20 40 60 80 260 280 3000
5
10
15
20
25
30
35
TaMoCrTiAl
Mass C
hange [
mg/c
m2 ]
time [h]
1000°C - air
NbMoCrTiAl
-1 0 1 2 3 4
-3,0
-2,5
-2,0
-1,5
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
TaMoCrTiAl
ln
W [m
g/c
m2]
ln time [h]
NbMoCrTiAl
(ΔW)n =kt
(ΔW) =1/n ln K+ 1/n lnt
n=4.17
n=0.90
transient oxidation
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Nb-Mo-Cr-Ti-Al 1000°C- air
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Rutile-ss
50 µm200 µm
200 µm
20 µmCorundum
Rutile-ss
Corundum
20 µm
Al Cr
Mo Nb
Ti O
400 µm
24 h 100 h
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Ta-Mo-Cr-Ti-Al 1000°C-air
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1 µm Al
Cr
Ti
Ta
O500 nm
Cr
Cr
Al
Ta
Al
Ta
Ti
Ti/Al
10 min
Mo
500 nm
200 nm
1 µm
3 htime
CrTaO4
Al2O3
Cr2Ta
AlMo3 B2
Cr2Ta
Cr2Ta
Cr-oxide
Al-oxideTi-oxide
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Ta-Mo-Cr-Ti-Al 1000°C-air
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(Al,Cr)2O3
CrTaO4
TiO2 Al2O3
5 µm
first oxidation layer
protective layer:
TiO2
Al2O3
(Cr,Ta,Ti)O4
Internal corrosion
Al2O3 / TiN
48h
20 µm
48 h 100 h 300 htime
(Al,Cr)2O3
CrTaO4
TiO2 Al2O3
(Cr,Ta,Ti)O4
Al2O3 / TiN
Mo-free
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Oxidation behavior
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Cr2O3 +TiO2 + Al2O3
Air
CrTaO4
Al2O3
TiN
Cr3+
Ti4+
Ta5+
Cr2O3 +TiO2 + Al2O3
Air
CrTaO4
TiN
O2-
Ta5+
2MoNbO4 + 3/2O2 +Cr2O3 = 2CrNbO4+2MoO3↑
Air
Al2O3
O2-
Mo4+
MoNbO4
protective layerinitial oxide layer
internal corrosion
Cr2O3 +TiO2 + Al2O3
Air
MoNbO4
Al2O3
TiN
Cr3+
Ti4+
Nb5+
initial oxide layer
nonprotective layer
internal corrosion
Nb-Mo-Cr-Ti-AlTa-Mo-Cr-Ti-Al
Rutile-ss
(Cr*, Nb, Mo*, Ti)
(Cr,Ta,Ti) (O)4
Cr2O3 + Ta2O5 2 CrTaO4Cr2O3 + Ta2O5 2 CrTaO4
Cr2O3 + Ta2O5 = 2 CrTaO4
Al2O3
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Summary
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Temperature
BCC(A2)+Cr2Nb+A15
1300°C
Nb-Mo-Cr-Ti-Al
BCC(A2)+Cr2Ta1500°C
Ta-Mo-Cr-Ti-Al
BCC(B2)+Cr2Nb+A15
BCC(B2)+Cr2Ta
BCC(A2)
1030°C1110°C
BCC(A2)
(Mo, Nb)3Al
Cr2(Nb,Al)
5 µm
BCC(B2)
Cr2(Ta,Al)
100 µm
0 20 40 60 80 260 280 3000
5
10
15
20
25
30
35
TaMoCrTiAl
Ma
ss C
ha
ng
e [
mg
/cm
2 ]
time [h]
1000°C - air
NbMoCrTiAl
RT RT
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Outlook
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Suppression of the inherently brittle Laves phases (Cr2Ta) by lowering the Cr, Ta content in Ta-Mo-Cr-Ti-Al but keeping up the good oxidation resistance
Establishment of a two-phase microstructure (BCC(A2/B2)) with a substantial amount of the second strengthening B2 phase by varying the concentration of the ordering elements
Ductilizing the alloy matrix at ambient temperature by additions of Re
Re addition Mo-Re W-Re
decrease D-btt