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Title:
VANADIUM ALLOYS WHICH ARE RESISTANT TO OXIDATION FOR COMPONENTS SUBJECTED TO HIGH TEMPERATURES
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2017/032825
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a vanadium alloy having between 2 - 35 At. % silicon and 3 - 50 At.% boron which is also resistant to oxidation even at high temperatures, and in particular is suitable for producing components which are subjected to high temperatures. Bor

Inventors:
KRÜGER MANJA (DE)
Application Number:
PCT/EP2016/070070
Publication Date:
March 02, 2017
Filing Date:
August 25, 2016
Export Citation:
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Assignee:
OTTO-VON-GUERICKE-UNIVERSITÄT MAGDEBURG (DE)
International Classes:
C22C1/04; C22C27/02; C22C1/05; C22C32/00
Foreign References:
US20100006185A12010-01-14
Other References:
CARLOS ANGELO NUNES ET AL: "Isothermal Section of the V-Si-B System at 1600 °C in the V-VSi2-VB Region", JOURNAL OF PHASE EQUILIBRIA AND DIFFUSION, vol. 30, no. 4, 1 August 2009 (2009-08-01), US, pages 345 - 350, XP055320694, ISSN: 1547-7037, DOI: 10.1007/s11669-009-9533-y
KUDIELKA H ET AL: "Untersuchungen in den Systemen: V-B, Nb-B, V-B-Si und Ta-B-Si", MONATSHEFTE FUER CHEMIE UND VERWANDTE TEILE ANDEREN WISSENSCHAFTEN, SPRINGER, VIENNA, AT, vol. 88, no. 6, 1 November 1957 (1957-11-01), pages 1048 - 1055, XP009192498, ISSN: 0343-7329
REIS D A P ET AL: "Microstructural characterization and chemistry of V-Si-B alloys / CARACTERIZAÇÃO MICROESTRUTURAL E QUÍMICA DE LIGAS V-Si-B", REVISTA BRASILEIRA DE APLICACOES DE VACUO, SOCIEDADE BRASILEIRA DE VACUO, BRASIL, vol. 26, no. 2, 1 July 2007 (2007-07-01), pages 79 - 82, XP009192503, ISSN: 0101-7659
MIZUTANI U ET AL: "Magnetism, electronic structure and thermal properties of (a1-xbx)77B13Si10 (a, b = Ti-Cu) pseudo-binary 3d-transition metal amorphous alloys", MATERIALS TRANSACTIONS. JIM, SENDAI, JP, vol. 30, no. 12, 1 June 1989 (1989-06-01), pages 953 - 964, XP009192502, ISSN: 0916-1821
WILLIAMS J ET AL: "Oxidation behavior of V5Si3 based materials", INTERMETALLICS, ELSEVIER SCIENCE PUBLISHERS B.V, GB, vol. 6, no. 4, 1 September 1998 (1998-09-01), pages 269 - 275, XP004121138, ISSN: 0966-9795, DOI: 10.1016/S0966-9795(97)00081-2
RODRIGUES G ET AL: "Thermal expansion of the V5Si3 and T2 phases of the V-Si-B system investigated by high-temperature X-ray diffraction", INTERMETALLICS, ELSEVIER SCIENCE PUBLISHERS B.V, GB, vol. 17, no. 10, 22 May 2009 (2009-05-22), pages 792 - 795, XP026184538, ISSN: 0966-9795, [retrieved on 20090522], DOI: 10.1016/J.INTERMET.2009.03.006
A. INOUE: "Superconductivity in amorphous+crystalline Ti-(Nb or V)-Si-B ductile alloys obtained by rapid quenching from the melt", JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, vol. 52, no. 7, 26 March 1981 (1981-03-26), US, pages 4711, XP055320692, ISSN: 0021-8979, DOI: 10.1063/1.329303
FUJIWARA ET AL.: "Oxidation and Hardness Profile of V-Ti-Cr-Si-AI-Y Alloys", JOURNAL OF NUCLEAR MATERIALS, vol. 283-287, 2000, pages 1311 - 1315
Attorney, Agent or Firm:
EINSEL, Martin (DE)
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Claims:
Ansprüche

1 . Vanadiumlegierung mit 2 bis 35 At.% Silizium und 3 bis 50 At.% Bor, Rest Vanadium,

wobei die Vanadiumlegierung mindestens eine intermetallische Phase gebildet aus mindestens Vanadium, Silizium und Bor aufweist.

2. Vanadiumlegierung nach Anspruch 1 ,

wobei der Gehalt an Silizium 5 bis 18 At.% beträgt.

3. Vanadiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 oder 2,

wobei der Gehalt an Bor 22 bis 35 At.% beträgt.

4. Vanadiumlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

zusätzlich enthaltend ein oder mehrere Legierungselemente ausgewählt aus der Gruppe unter Ti, Fe, Zr, Mg, Hf, Li, Pb, Bi, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Ge, Ga, Y, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Au, Cd, Ca, La, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt und Au. 5. Vanadiumlegierung nach Anspruch 4,

wobei die zusätzlichen Legierungselemente jeweils in einem Gehalt von 0,01 At.% bis 15 At.% vorliegen.

6. Vanadiumlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

wobei die mindestens eine intermetallische Phase aus mindestens

Vanadium, Silizium und Bor V5S1B2 ist.

7. Vanadiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,

wobei der Volumenbruchteil der mindestens einen intermetallischen Phase aus mindestens Vanadium, Silizium und Bor in der Legierung mindestens 35% beträgt. Vanadiumlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Volumenbruchteil der mindestens einen intermetallischen Phase aus mindestens Vanadium, Silizium und Bor in der Legierung höchstens 75% beträgt.

Vanadiumlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vanadiumlegierung voroxidiert ist.

Verfahren zur Herstellung einer Vanadiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,

wobei in einem ersten Schritt ein Pulver aus übersättigten Mischkristallen der Legierungsbestandteile Vanadium, Silizium und Bor und gegebenenfalls einem oder mehreren weiteren Legierungselementen hergestellt wird, und das erhaltene Pulver aus übersättigten Mischkristallen bei einer Temperatur in einem Bereich zwischen 1 .000°C und 1 .700°C unter Ausbildung der erfindungsgemäßen Legierung kompaktiert wird.

Verwendung einer Vanadiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 als Strukturwerkstoff für die Herstellung von hochtemperatur- beanspruchten Bauteilen.

Description:
Oxidationsbeständige Vanadiumlegierungen für hochtemperatur- beanspruchte Bauteile

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vanadiumlegierung, die auch bei hohen Temperaturen eine ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit aufweist und insbesondere für die Herstellung von hochtemperaturbeanspruchten Bauteilen bei gleichzeitiger mechanischer Beanspruchung geeignet ist.

Vanadium hat einen geringen Neutroneneinfangsquerschnitt und stellt damit einen vielversprechenden Kandidaten als Strukturwerkstoff für Fusionsreaktoren und für Anwendungen im Bereich der Energiewandlung, zum Beispiel Gasturbinen, dar.

Von Nachteil ist jedoch, dass Vanadium und Vanadiumlegierungen bei hohen Temperaturen, wie sie zum Beispiel in Fusionsreaktoren auftreten, und in Gegenwart von Sauerstoff schnell Oxide ausbilden. Die Oxide können abplatzen oder bei entsprechend höheren Temperaturen flüssig oder gasförmig werden und führen somit zu einem unkontrollierbaren Material- und Formverlust des Bauteils. Aus diesem Grund ist es nicht möglich, Vanadium für die Herstellung von Bauteilen einzusetzen, die bei hohen Temperaturen atmosphärischen Bedingungen oder einer anderen sauerstoffhaltigen Umgebung ausgesetzt sind.

Vanadium und Vanadiumlegierungen sind daher auf Anwendungen beschränkt, die entweder unter Schutzgas oder in sauerstoffarmen Medien oder bei geringen Temperaturen durchgeführt werden.

Es ist bekannt, Vanadiumlegierungen mit zum Beispiel Ti, Zr, Ta, Nb und Cr als Legierungselementen als Reaktorwerkstoffe bei Temperaturen bis circa 950 K in einer sauerstofffreien beziehungsweise sauerstoffarmen Umgebung wie einer Inertgasatmosphäre (zum Beispiel Helium) oder in Wasser einzusetzen.

Allerdings wurde auch für Vanadiumlegierungen mit insbesondere hohem Ti- und Zr-Gehalt unter Sauerstoffeinfluss bei höheren Temperaturen die Ausbildung voluminöser Oxidschichten beobachtet, so dass auch diese Materialien für den Einsatz in einer sauerstoffhaltigen Umgebung bei höheren Temperaturen nicht geeignet sind.

So zeigten V-4Ti-4Cr-Legierungen die Ausbildung einer signifikanten Oxidschicht bei Behandlung in trockener Luft bei 700°C (973 K). Deutlich dickere Oxidschichten wurden beobachtet, wenn der Basislegierung geringfügige Zusätze von Si, AI und Y zugesetzt wurden (Fujiwara et al., „Oxidation and Hardness Profile of V-Ti-Cr-Si-Al-Y Alloys", Journal of Nuclear Materials 283-287 (2000) 131 1 -1315).

Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung Vanadiumlegierungen bereitzustellen, die auch bei höheren Temperaturen eine verbesserte Oxidationsbeständigkeit aufweisen und daher auch bei höheren Temperaturen in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre eingesetzt werden können. Desweiteren sollte die Vanadiumlegierung auch bei höheren Temperaturen eine möglichst gute mechanische Festigkeit aufweisen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vanadiumlegierung mit 2 bis 35 At.% Silizium (Si), 3 bis 50 At.% Bor (B) und Rest Vanadium (V), wobei die Vanadiumlegierung mindestens eine intermetallische Phase aus mindestens Vanadium, Silizium und Bor aufweist.

Bevorzugte Gehaltsbereiche sind für Silizium 5 bis 18 At.% und für Bor 22 bis 35 At.%.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Legierung 5 bis 18 At.% Silizium sowie 22 bis 35 At.% Bor.

Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Vanadiumlegierung eine Mikrostruktur auf, bei der eine oder mehrere intermetallische Phasen mit den Bestandteilen Vanadium, Silizium und Bor in einer Matrix aus Vanadium verteilt vorliegen. Die erfindungsgemäßen intermetallischen Phasen aus Vanadium mit Silizium und Bor werden nachstehend gemeinschaftlich auch als„intermetallische V-Si- B-Phase(n)" bezeichnet. Neben der mindestens einen erfindungsgemäßen intermetallischen V-Si-B- Phase können in der erfindungsgemäßen Legierung auch intermetallische Phasen mit anderer Zusammensetzung vorliegen, wie zum Beispiel Phasen aus V mit Si wie V3S1, V5S13 etc. sowie intermetallische Phasen, die weitere Legierungselemente enthalten können.

Anders als die bekannten Vanadiumlegierungen, die nur bei geringen Temperaturen oder unter Schutzgas beziehungsweise in sauerstoffarmen Medien einsetzbar sind, sind die erfindungsgemäßen Vanadiumlegierungen auch bei höheren Temperaturen oxidationsbeständig.

Sie sind daher besonders als Strukturwerkstoffe für die Herstellung von Bauteilen geeignet, die bei erhöhten Temperaturen einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre ausgesetzt werden. Besondere Schutzmaßnahmen wie das Vorsehen einer Schutzgasatmosphäre oder anderen sauerstoffarmen Medien sind nicht erforderlich.

Die intermetallischen V-Si-B-Phasen, die in der Vanadiummatrix verteilt vorliegen, bilden bei hohen Temperaturen unter sauerstoffhaltiger Atmosphäre eine dünne Schutzschicht auf der Oberfläche aus. Durch diese Schutzschicht wird der Vanadiumwerkstoff vor weiterer Oxidation geschützt und die Formbeständigkeit von Bauteilen, die aus dem erfindungsgemäßen Vanadiumwerkstoff hergestellt worden sind, ermöglicht.

Die Schutzwirkung beziehungsweise Oxidationsbeständigkeit ist umso besser je höher der Volumenanteil an erfindungsgemäßer intermetallischer V-Si-B-Phase in der Vanadiumlegierung ist. Da jedoch die intermetallische V-Si-B-Phase vergleichsweise spröde ist, nimmt mit Zunahme dieser intermetallischen Phase in der Vanadiumlegierung die Riss- und Bruchanfälligkeit des Materials zu, das heißt die mechanische Beständigkeit ausgedrückt als Bruchzähigkeit nimmt ab. Andererseits wurde gefunden, dass die erfindungsgemäßen Vanadium- legierungen mit zunehmendem Volumenanteil der intermetallischen Phasen unter Druckbeanspruchung steigende Festigkeiten aufweisen.

Im Hinblick auf ein ausgewogenes Verhältnis von Oxidationsbeständigkeit einerseits und mechanischer Beständigkeit andererseits sollte der Volumenanteil der intermetallischen V-Si-B-Phase(n) in der Vanadiumlegierung vorzugsweise mindestens 35 vol.%, insbesondere mindestens 50 vol.% betragen und 75 vol.% nicht übersteigen. Bei diesen Angaben handelt es sich um in Bezug auf Oxidationsbeständigkeit und mechanischer Beständigkeit optimierte Werte, die je nach Anwendungsfall und Anforderungen unter- beziehungsweise überschritten werden können. Unter dem Gesichtspunkt der mechanischen Beständigkeit, insbesondere der Bruchzähigkeit, ist es besonders vorteilhaft, wenn die intermetallischen Phasen die Vanadiummatrix nicht unterbrechen.

Generell kann gesagt werden, dass die intermetallischen V-Si-B-Phasen die Oxidationsbeständigkeit der Legierung verbessern und die verformbarere und bruchzähere Vanadiummatrix gute mechanische Eigenschaften gewährleistet. Unter dem Gesichtspunkt der Oxidationsbeständigkeit ist daher ein Werkstoff aus 100% intermetallischer V-Si-B-Phase vorteilhaft, jedoch ist ein derartiger vollkommen intermetallischer Werkstoff sehr spröde, so dass für die Verwendung für die Herstellung von mechanisch beanspruchten Bauteilen auch auf eine ausreichende mechanische Beständigkeit geachtet werden sollte. Die erfindungsgemäße Vanadiumlegierung weist zudem selbst bei

Temperaturen bis zu 1 .000°C auch bei Drücken von 1 bis 2 GPa eine ausgezeichnete Festigkeit auf. Die gefundenen Werte liegen deutlich über denen von Werkstoffen wie Stähle, Nickelbasislegierungen oder Titanlegierungen.

Die erfindungsgemäßen Vanadiumlegierungen haben damit ein

Festigkeitsniveau, das selbst bei den hohen Temperaturen, die in den vorgesehenen Anwendungsgebieten herrschen, hoch und stabil ist.

Es zeigt Figur 1 ein graphisches Schnittbild einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vanadiumlegierung mit intermetallischer V- Si-B-Phase,

Figur 2 ein Diagramm der Oxidationskurven bei 600°C von Beispielen erfindungsgemäßer V-Legierungen im Vergleich mit V- Legierungen nach dem Stand der Technik,

Figur 3 ein Diagramm von Oxidationskurven von Beispielen erfindungsgemäßer V-Legierungen bei 600°C sowie 700°C nach Voroxidation, und

Figur 4 ein Diagramm mit den Ergebnissen einer Druckspannungsmessung von Beispielen erfindungsgemäßer V-Legierungen.

Das in Figur 1 gezeigte Schnittbild wurde auf Grundlage einer mikroskopischen Analyse der erfindungsgemäßen Legierung angefertigt, wobei die Morphologie der Phasen sowie die Verteilung idealisiert dargestellt wurden, jedoch die Größe der ausgeschiedenen Phasen sowie deren Volumenbruchteil der mikroskopischen Vorlage entsprechen.

Das Schnittbild der Figur 1 zeigt die Mikrostruktur einer erfindungsgemäßen Vanadiumlegierung mit der Zusammensetzung V-9Si-15B gemäß Ausführungsbeispiel 1 , wobei eine intermetallische Phase mit der Zusammensetzung V5S1B2 homogen verteilt in der Vanadiummatrix vorliegt. Der Volumenbruchteil der Phase V5S1B2 an der Legierung beträgt in diesem Beispiel etwa 50%.

Die gebildeten makroskopischen Phasenbereiche können eine vielgestaltige Form aufweisen und sind nur im Schnittbild idealisiert als Hexagon dargestellt. Dargestellt ist in Figur 1 eine im Hinblick auf die Balance zwischen Oxidationsbeständigkeit und mechanischen Eigenschaften optimierte Legierung. Die erfindungsgemäße Vanadiumlegierung kann eine intermetallische V-Si-B- Phase enthalten wie es in Figur 1 der Fall ist. Es können auch zwei oder mehrere intermetallische V-Si-B-Phasen vorliegen.

Ein Beispiel für eine besonders bevorzugte intermetallische V-Si-B-Phase ist die Phase V5S1B2, wie sie in Figur 1 idealisiert dargestellt ist.

Neben der erfindungsgemäßen intermetallischen V-Si-B-Phase können in der erfindungsgemäßen Vanadiumlegierung auch eine oder mehrere weitere Phasen mit unterschiedlicher Zusammensetzung vorliegen wie zum Beispiel intermetallische Phasen, die aus V und Si gebildet sind. Zudem können intermetallische Phasen vorliegen, die ein oder mehrere der nachstehend genannten zusätzlichen Legierungselemente aufweisen.

Je nach Bedarf kann die erfindungsgemäße Legierung ein oder mehrere zusätzliche Legierungselemente ausgewählt aus der Gruppe aus Ti, Fe, Zr, Mg, Hf, Li, Pb, Bi, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Ge, Ga, Y, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Au, Cd, Ca, La, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt und Au enthalten.

Diese zusätzlichen Legierungselemente können typischerweise jeweils in einem Gehalt von 0,01 At.% bis 15 At.% und bevorzugt bis 10 At.% zulegiert werden.

Die vorstehend genannten zusätzlichen Legierungselemente können auch in Form ihrer Oxide, Nitride und/oder Carbide in Konzentrationen bis zu 15 vol.% der Legierung zugesetzt werden. Für die Herstellung der erfindungsgemäßen Vanadiumlegierungen wird in einem ersten Schritt ein Pulver aus übersättigten Mischkristallen der Legierungsbestandteile erzeugt.

Die Ausbildung eines Ungleichgewichtszustands in Form übersättigter Mischkristalle ist erforderlich, da andernfalls die Löslichkeit von Si, B und gegebenenfalls von weiteren Legierungsbestandteilen nicht ausreichend ist und insbesondere der Gehalt an Si und B in dem Mischkristallpulver zu gering werden kann. In der Folge davon lässt sich die besonders bevorzugte gleichmäßige Verteilung der intermetallischen Phasen in der Vanadiummatrix nicht mehr erhalten. Stattdessen würden zunehmend lokal unterschiedlich große und inhomogen verteilte intermetallische Phasenbereiche auftreten. Eine inhomogene Verteilung der intermetallischen Phasen in der Vanadiumlegierung führt jedoch dazu, dass die makroskopischen Eigenschaften wie zum Beispiel mechanische Festigkeit der Vanadiumlegierung beziehungsweise der daraus hergestellten Bauteile nicht mehr die gewünschte Isotropie aufweisen. Je gleichmäßiger die Verteilung der intermetallischen Phasen in der Vanadiumlegierung ist, umso isotroper sind die resultierenden makroskopischen Eigenschaften der Vanadiumlegierung beziehungsweise der daraus hergestellten Bauteile.

Um die erforderliche Übersättigung erzielen zu können, werden für die Herstellung des Mischkristallpulvers für die erfindungsgemäße Legierung pulvermetallurgische Verfahren eingesetzt, wie zum Beispiel das Gasverdüsen mit schneller Abkühlung (Rascherstarrung) oder das mechanische Legieren. Diese Verfahren sind an sich bekannt.

Als nächstes wird das erhaltene vorlegierte Pulver kompaktiert. Dabei wird die Kompaktierung derart durchgeführt, dass im Endergebnis kompakte Strukturwerkstoffe erhalten werden, die nach dem letzten Kompaktierungsschritt die gewünschte Mikrostruktur aufweisen. Für die Kompaktierung können herkömmliche Kompaktierungsverfahren eingesetzt werden wie zum Beispiel Kaltpressen, Sintern, Heißpressen oder andere Kompaktierungsverfahren wie zum Beispiel Field Assisted Sintering Technologie (FAST), Spark Plasma Sintering (SPS), Sinterschmieden oder Equal Channel Angular Pressing (ECAP).

Auch die genannten Kompaktierungsverfahren sind an sich bekannt. Die Ausscheidung der erfindungsgemäßen intermetallischen V-Si-B-Phase beziehungsweise Phasen und die Restporosität des Materials können über die Temperatur und Haltezeit gesteuert werden. Typische Temperaturen liegen zwischen 1000°C und 1 .700°C. Das Aufheizen auf die gewünschte Temperatur kann in einem Schritt oder auch in mehreren Schritten erfolgen. Anschließend wird schnell auf Raumtemperatur abgekühlt, Geeignete Aufheiz- beziehungsweise Kühlraten liegen in einem Bereich zwischen 50 und 150 K/min. Geeignete Haltezeiten liegen zwischen 15 Minuten und mehreren Stunden, wobei die Haltezeit vom eingesetzten Verfahren, der Beschaffenheit und chemischen Zusammensetzung der Pulverpartikel und der Temperatur abhängt.

Beispielsweise ist die Sinteraktivität kleinerer Pulverpartikel höher als die größerer Partikel, so dass die erforderliche Haltezeit bei kleiner werdender Partikelgröße sinkt.

Auch erfordern Partikel mit unregelmäßiger Gestalt eine längere Haltezeit und/oder höhere Temperatur als regelmäßig geformte Partikel.

Ein weiterer Gesichtspunkt ist, dass die Ausscheidungsvorgänge der intermetallischen Phasen diffusionsgesteuerte Prozesse sind, die Zeit und Temperatur erfordern. Für einen schnellen Prozessablauf ist daher die Temperatur zu erhöhen, beziehungsweise bei geringerer Temperatur die Haltezeit zu erhöhen, um das gleiche Ergebnis erzielen zu können.

Weiter sollte der Kompaktierungsvorgang umso länger bei Hochtemperatur dauern, je höher der Si- und B-Gehalt ist, um eine möglichst hohe Dichte im Kompaktmaterial zu erreichen.

Beispielsweise kann für kleine Partikel mit geringem Anteil an Si und B (7% Si, 28% B) die Kompaktierung mittels FAST-Verfahren wie folgt durchgeführt werden:

Aufheizen auf 1 .100°C mit 100 K/min, Haltezeit 15 min,

Weiterheizen auf 1 .500°C mit K/min, Haltezeit 15 min,

Abkühlen bis auf Raumtemperatur; und für größere Partikel mit einem höheren Si- und B-Gehalt (10% Si, 15% B):

Aufheizen auf 1 .1000°C mit 100 K/min, Haltezeit 15 min,

Weiterheizen auf 1 .300°C, Haltezeit 20 min,

Weiterheizen auf 1 .600°C, Haltezeit 30 min,

Abkühlen bis auf Raumtemperatur. Das Herstellungsverfahren (Erzeugung des übersättigten Mischkristallpulvers und Kompaktierung) erfolgt vorzugsweise in einer möglichst sauerstofffreien Atmosphäre, zum Beispiel unter Inertgas wie Argon, einer reduzierenden Atmosphäre, zum Beispiel Wasserstoff oder einem wasserstoffhaltigen Gemisch, oder Vakuum.

Nachstehend wird die vorliegende Erfindung und deren Herstellungsverfahren zusätzlich anhand konkreter Beispiele näher erläutert.

1 . Beispiel: Herstellung von V-9Si-15B

Als Ausgangsmaterialien wurden reine V-, Si- und Borpulver in dem angegebenen Mengenverhältnis (9 At.% Si, 15 At.% B und Rest Vanadium) mechanisch legiert, um ein übersättigtes Mischkristallpulver zu erhalten. Hierzu wurden die Ausgangsmaterialien in einer Planetenkugelmühle 20 Stunden bei 200 U/min gemahlen.

Das erhaltende übersättigte Pulver wurde mittels der Field Assisted Sintering Methode kompaktiert. Die Kompaktierung wurde durchgeführt, indem zunächst bis auf 1 .100 °C aufgeheizt und für 15 Minuten gehalten wurde. Danach wurde bis auf 1 .500°C weiter geheizt und wieder für 15 Minuten gehalten. Im Anschluss wurde bis auf Raumtemperatur abgekühlt. Im Ergebnis wurde eine Vanadiumlegierung erhalten, deren idealisiertes Schnittbild in Figur 1 dargestellt ist. Die erhaltene Vanadiumlegierung enthielt die intermetallische Phase V5S1B2, die homogen verteilt in der Vanadiummatrix vorlag, und keine Unterbrechung der Vanadiummatrix aufwies.

Der Volumenbruchteil der Phase liegt bei etwa 50%. 2. Beispiel: Herstellung von V-12,5Si-25B

Es wurden die Legierungsbestandteile in den genannten Mengen (12,5 At.% Si, 25 At.% B, Rest Vanadium) wie unter 1 verarbeitet, mit der Ausnahme, dass bei der Kompaktierung in der zweiten Stufe auf 1 .600°C aufgeheizt und die Temperatur 30 Minuten gehalten wurde. Im Ergebnis wurde eine V-Legierung erhalten, die ca 90 vol.% intermetallische Phase V 5 SiB 2 enthielt.

Untersuchung der Oxidationsbeständigkeit:

Die in Beispiel 1 und 2 erhaltenen Vanadiumlegierungen wurden wie folgt einem Oxidationstest unterzogen.

Dazu wurde das Probenmaterial mit circa 50% intermetallischer Phasen (Beispiel 1 ) und mit circa 90% intermetallischer Phase (Beispiel 2) jeweils auf 600°C aufgeheizt, wobei nach 2, 5, 10, 20, 50 und 100 Stunden auf Raumtemperatur abgekühlt und die Masse bestimmt wurde.

Mit demselben Probenmaterial wurde diese zyklische Temperaturbehandlung fortgesetzt. Die erhaltenen Oxidationskurven sind in Figur 2 gezeigt und zeigen die Ergebnisse der zyklischen Oxidationsversuche bei 600°C, wobei die Masseveränderung in Bezug auf die Oberfläche der Ausgangsproben dargestellt ist.

Gegenübergestellt sind Vergleichswerte aus der Literatur für V-4Cr-4Ti und V- 5Cr-5Ti (K. Natesan, M. Uz: Fusion Eng. Design 51 -52 (2000) 145). .

Im Ergebnis ist festzustellen, dass die erfindungsgemäßen Legierungen eine höhere Oxidationsbeständigkeit aufweisen.

Für eine weitere Untersuchung der Oxidationsbeständigkeit wurden die Vanadiumlegierungen nach Beispiel 1 und Beispiel 2 einer Voroxidation bei 1 .000°C für eine Stunde unter Luft unterzogen. Diese Voroxidation diente der Ausbildung einer Oxidschutzschicht auf der Oberfläche, die wiederum vor weiterer Oxidation schützt.

Die Ergebnisse sind in Figur 3 dargestellt. Diese Ergebnisse zeigen die stabilisierende Wirkung der intermetallischen Phase, durch deren Reaktion mit Sauerstoff die Oxid-Schutzschicht erst gebildet werden konnte.

Selbst bei einer Temperatur von 700°C zeigte die Vanadiumlegierung mit circa 90% intermetallischen Phasen nur eine geringfügige Masseänderung, wohingegen eine entsprechende Legierung nach Beispiel 1 mit ca. 50% intermetallischen Phasen Reduzierung der Masse im Verlauf des Versuches zeigte. Untersuchung der Druckfestigkeit

Die Druckfestigkeit der Vanadiumlegierungen gemäß den Beispielen 1 und 2 wurde bei Temperaturen zwischen 600°C und 1 .000°C gemessen.

Die Druckspannungs-Stauchungs-Verläufe, aus denen das Festigkeits- und Verformungspotential der Legierungen in Abhängigkeit der Temperatur und des Gehaltes an intermetallischen Phasen hervorgeht, ist in Figur 4 gezeigt.

Die Messung erfolgte mit einer Prüfmaschine der Firma Zwick vom Typ Z100, wobei die Messung nach DIN 50106: 1978-12„Prüfung metallischer Werkstoffe; Druckversuch" durchgeführt wurde.

Wie aus den Druckspannungs-Stauchungs-Verläufen hervorgeht, wurde bei den Legierungen nach Beispiel 1 bei 600°C und nach Beispiel 2 bei 1 .000°C die Druckbereichsgrenze der Prüfmaschine erreicht. Daraus folgt, dass das Material bei diesen Temperaturen deutlich fester ist als mit der eingesetzten Prüfmaschine gemessen werden kann.

Wie aus den Kurven für die Vanadiumlegierung nach Beispiel 1 (circa 50% intermetallische Phase) hervorgeht, nimmt die Festigkeit mit zunehmender Temperatur ab und das Verformungspotential zu.

Die Verläufe zeigen deutlich die Abhängigkeit der Festigkeit von dem Anteil an intermetallischer Phase. Durch die höhere Konzentration an intermetallischen Phasen ist die Vanadiumlegierung mit circa 90% fester als die Vanadiumlegierung nach Beispiel 1 mit circa 50% intermetallischer Phase.

Die Verläufe zeigen deutlich, dass die erfindungsgemäßen Vanadiumlegierungen selbst bei hohen Temperaturen eine ausgezeichnete Druckfestigkeit aufweisen.

Die hohe Oxidationsbeständigkeit in Verbindung mit der hohen Druckfestigkeit machen die erfindungsgemäßen Vanadiumlegierungen zu einem ausgezeichneten Werkstoff für die Herstellung von Bauteilen, die hohen Temperaturen bei gleichzeitiger mechanischer Beanspruchung ausgesetzt sind.