Universiẗat, Diss., 2004--Bonn.

Universiẗat, Diss., 1999--Bochum.

Ein Schwerpunkt der Arbeit ist die lokale Phasenanalyse keramischer Systeme mittels EBSD. Insbesondere bei MMC auf der Basis von TRIP-Stahl/Mg-PSZ ist die Ortsauflösung der bisher üblichen XRD-Phasenanalyse nicht ausreichend. Das gilt auch für die Analyse von Grenzflächenreaktionen, wie sie zum Beispiel bei Korrosionsprozessen auftreten. Es wurde eine Methode der Probenpräparation entwickelt und erfolgreich für unterschiedliche keramische Systeme eingesetzt. Ein Ergebnis ist der Nachweis von spannungs-assistierten Phasenumwandlungen in Mg-PSZ. Zweiter Schwerpunkt ist die Entwicklung einer in situ Druckverformungsapparatur für einen Labor-Röntgen-Tomographen. Mit dieser Apparatur können Druckverformungskräfte bis 100 kN erreicht werden. Tomographische Untersuchungen werden unter Druckspannung durchgeführt. Im Rahmen der Arbeit wurde insbesondere das Verformungs- und Schädigungsverhalten von MMC in Form von Schäumen und Wabenkörpern detailliert untersucht.

Die Delamination beschreibt einen glaskorrosiven Angriff, bei welchem dünne, plättchenförmige Partikel im angreifenden Medium vorhanden sind. Ziel dieser Arbeit ist die Analyse der zu Grunde liegenden Reaktionsmechanismen. Nahezu jedes der untersuchten silikatischen Glassysteme zeigt Delamination. Notwendige Bedingungen sind das Vorhandensein von Magnesiumionen sowie eine ausreichende Auflösung des Glasnetzwerkes zur Bereitstellung der Reaktionspartner. Es kommt zur Bildung einer magnesiumreichen Schicht auf der Glasoberfläche, welche sich ablöst. Die Delaminationsprodukte sind teilweise kristallin. Als Hauptphase wird das Magnesiumsilikat-Hydrat Talk nachgewiesen. Es wirken weitere Elemente delaminationsfördernd, darunter die Erdalkalimetalle höherer Ordnungszahl, außerdem Eisen und Mangan sowie Lithium. Eine hemmende Wirkung besitzen die Elemente der dritten Haupt- und Nebengruppe des Periodensystems, insbesondere Bor, Aluminium und Yttrium sowie Beryllium. Die Delamination ist nur einer von zahlreichen Teilschritten der Glaskorrosion mit Phasenneubildung.

Ein Schwerpunkt der Arbeit ist die lokale Phasenanalyse keramischer Systeme mittels EBSD. Insbesondere bei MMC auf der Basis von TRIP-Stahl/Mg-PSZ ist die Ortsauflösung der bisher üblichen XRD-Phasenanalyse nicht ausreichend. Das gilt auch für die Analyse von Grenzflächenreaktionen, wie sie zum Beispiel bei Korrosionsprozessen auftreten. Es wurde eine Methode der Probenpräparation entwickelt und erfolgreich für unterschiedliche keramische Systeme eingesetzt. Ein Ergebnis ist der Nachweis von spannungs-assistierten Phasenumwandlungen in Mg-PSZ. Zweiter Schwerpunkt ist die Entwicklung einer in situ Druckverformungsapparatur für einen Labor-Röntgen-Tomographen. Mit dieser Apparatur können Druckverformungskräfte bis 100 kN erreicht werden. Tomographische Untersuchungen werden unter Druckspannung durchgeführt. Im Rahmen der Arbeit wurde insbesondere das Verformungs- und Schädigungsverhalten von MMC in Form von Schäumen und Wabenkörpern detailliert untersucht.

The novel alloying concept of high-entropy alloys (HEAs) has been the focus of many recent investigations revealing an interesting combination of properties. Alloying with aluminium and titanium showed strong influence on microstructure and phase composition. However, detailed investigations on the influence of titanium are lacking. In this study, the influence of titanium in the alloy system AlCoCrFeNiTix was studied in a wide range (molar ratios x = 0.0; 0.2; 0.5; 0.8; 1.0; 1.5). Detailed studies investigating the microstructure, chemical composition, phase composition, solidification behaviour, and wear behaviour were carried out. Alloying with titanium showed strong influence on the resulting microstructure and lead to an increase of microstructural heterogeneity. Phase analyses revealed the formation of one body-centred cubic (bcc) phase for the alloy without titanium, whereas alloying with titanium caused the formation of two different bcc phases as main phases. Additional phases were detected for alloys with increased titanium content. For x ≥ 0.5, a minor phase with face-centred cubic (fcc) structure was formed. Further addition of titanium led to the formation of complex phases. Investigation of wear behaviour revealed a superior wear resistance of the alloy AlCoCrFeNiTi0.5 as compared to a bearing steel sample.

In Gasturbinenbrennern kommen Nickelbasiswerkstoffe für thermisch hoch belastete Komponenten standardmäßig zum Einsatz. Die Bauteile liegen strömungstechnisch vor der stattfindenden Verbrennung, wodurch es zu einer stark einseitigen thermischen Belastung kommt. Ein wirtschaftlich effizienter Einsatz von Nickelbasiswerkstoffen kann daher in Kombination mit kostengünstigen warmfesten Stählen für die weniger stark thermisch belasteten Bauteilbereiche erreicht werden. Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Prozessentwicklung zum Hochtemperaturlöten von im Brennerbau häufig verwendeten Nickelbasislegierungen und dem niedriglegierten warmfesten Stahl 16Mo3 (1.5415). Im Entwicklungsprozess wurden die Mikrostruktur der Verbunde charakterisiert, die Auswirkungen thermischer Ausdehnungsunterschiede evaluiert und die erreichbare Festigkeit erfasst. An einem Demonstrator wurden die Erkenntnisse im Rahmen der industriellen Fertigung getestet.:1 Einführung 1.1 Einleitung und Motivation 1.2 Stand von Wissenschaft und Technik 1.3 Schlussfolgerungen und Zielsetzung 2 Technologische Grundlagen 2.1 Der Hochtemperaturlötprozess 2.2 Thermische Ausdehnung 2.3 Diffusion 2.4 Metallurgische Prozesse 3 Experimentelle Durchführung 3.1 Grund- und Lotwerkstoffe 3.2 Lötprozesse und Probengeometrien 3.3 Mikrostrukturelle, thermische und mechanische Charakterisierung 4 Ergebnisse und Diskussion 4.1 Mikrostrukturcharakterisierung 4.1.1 Grundwerkstoffe 4.1.2 Lötsystem 16Mo3 – INCONEL 625 4.1.3 Lötsystem 16Mo3 – Nimonic 75 4.1.4 Lötsystem 16Mo3 – Hastelloy X 4.1.5 Lötsystem 16Mo3 – INCONEL 718 4.1.6 Normalisierungsgefüge von 16Mo3 4.1.7 Zusammenfassung der Mikrostrukturcharakterisierung 4.2 Thermische Ausdehnung 4.2.1 Maßänderung 4.2.2 Eigenspannungen 4.3 Mechanische Eigenschaften 4.3.1 Zugversuch 4.3.2 Zugscherversuch 4.3.3 Ermittlung der kritischen Überlapplänge 4.4 Demonstrator 5 Zusammenfassung und Ausblick / Nickel-base alloys for thermally high loaded components are widely used for gas turbine burner parts. By means of flow direction burner parts are located prior to the combustion. They are therefore one-sided thermally loaded. An economical efficient use of nickel based alloys can be achieved in combination with low alloyed steels for thermally less loaded components. The aim of this work is the development of brazing processes for GT-burner manufacturing related nickel based alloys and the low alloyed steel 16Mo3 (1.5415) using nickel based filler materials. The development includes a microstructural characterization of the brazed compounds, the evaluation of thermal expansion behavior and the maximum strength. A final test examines the feasibility by means of industrial manufacturing.:1 Einführung 1.1 Einleitung und Motivation 1.2 Stand von Wissenschaft und Technik 1.3 Schlussfolgerungen und Zielsetzung 2 Technologische Grundlagen 2.1 Der Hochtemperaturlötprozess 2.2 Thermische Ausdehnung 2.3 Diffusion 2.4 Metallurgische Prozesse 3 Experimentelle Durchführung 3.1 Grund- und Lotwerkstoffe 3.2 Lötprozesse und Probengeometrien 3.3 Mikrostrukturelle, thermische und mechanische Charakterisierung 4 Ergebnisse und Diskussion 4.1 Mikrostrukturcharakterisierung 4.1.1 Grundwerkstoffe 4.1.2 Lötsystem 16Mo3 – INCONEL 625 4.1.3 Lötsystem 16Mo3 – Nimonic 75 4.1.4 Lötsystem 16Mo3 – Hastelloy X 4.1.5 Lötsystem 16Mo3 – INCONEL 718 4.1.6 Normalisierungsgefüge von 16Mo3 4.1.7 Zusammenfassung der Mikrostrukturcharakterisierung 4.2 Thermische Ausdehnung 4.2.1 Maßänderung 4.2.2 Eigenspannungen 4.3 Mechanische Eigenschaften 4.3.1 Zugversuch 4.3.2 Zugscherversuch 4.3.3 Ermittlung der kritischen Überlapplänge 4.4 Demonstrator 5 Zusammenfassung und Ausblick

High hardness and good wear resistance have been revealed for the high-entropy alloy (HEA) system AlCoCrFeNiTi, confirming the potential for surface protection applications. Detailed studies to investigate the microstructure and phase formation have been carried out using different production routes. Powder metallurgical technologies allow for much higher flexibility in the customisation of materials compared to casting processes. Particularly, spark plasma sintering (SPS) enables the fast processing of the feedstock, the suppression of grain coarsening and the production of samples with a low porosity. Furthermore, solid lubricants can be incorporated for the improvement of wear resistance and the reduction of the coefficient of friction (COF). This study focuses on the production of AlCoCrFeNiTi composites comprising solid lubricants. Bulk materials with a MoS2 content of up to 15 wt % were produced. The wear resistance and COF were investigated in detail under sliding wear conditions in ball-on-disk tests at room temperature and elevated temperature. At least 10 wt % of MoS2 was required to improve the wear behaviour in both test conditions. Furthermore, the effects of the production route and the content of solid lubricant on microstructure formation and phase composition were investigated. Two major body-centred cubic (bcc) phases were detected in accordance with the feedstock. The formation of additional phases indicated the decomposition of MoS2.

By analyzing process samples full and pilot scale gasifiers, the main influences affecting their slag are identified. Based on this knowledge as well as the current literature, the effect of crystallization was identified as crucial for understanding slag behavior and is analyzed during cooldown. Finally, the emerging interest in sewage sludge upcycling via gasification necessitated an investigation on the influence of adding P2O5 as slag constituent. All conclusions concerning the full scale gasifier slags were based on XRF, XRD, and SEM-EDX analyses coupled with thermodynamic equilibrium calculations via FactSage. The subsequently presented research on crystallization and the effect of P2O5 was centered on conducting slag viscosity measurements, recreating the conditions of said measurement in a quench oven, and analyzing the resulting quench samples via the mentioned analysis methods. Special focus was put on the phase evolution, its governing factors, and the effect on slag viscosity.:1. INTRODUCTION 1 2. FUNDAMENTALS IN SLAG BEHAVIOR CHARACTERIZATION 3 2.1. BASE TO ACID RATIO AS KEY FIGURE FOR SLAG CHARACTERIZATION 7 2.2. VISCOSITY ALTERING SECONDARY PHASES IN SLAGS 9 2.2.1. The effect of crystallization on slag flow 10 2.2.2. Modelling and measuring crystallization in slags 11 2.3. CRITICAL VISCOSITY 13 2.4. PHOSPHOROUS OXIDE IN SLAGS 15 2.4.1. Behavior of P2O5 within slags 16 2.4.2. Phase separation in melts containing P2O5 17 2.4.3. Effect on slag viscosity 22 3. ANALYTICAL METHODS 26 3.1. SAMPLE PRETREATMENT 26 3.2. ASH FUSION TEMPERATURE 28 3.3. X-RAY FLUORESCENCE MEASUREMENT (XRF) 30 3.4. X-RAY DIFFRACTION 31 3.5. VISCOSITY MEASUREMENT 32 3.6. DIFFERENTIAL THERMAL ANALYSIS (DTA) 36 3.7. QUENCH APPARATUS 37 3.8. SEM-EDX 39 3.9. THERMODYNAMIC EQUILIBRIUM CALCULATIONS 40 4. CHARACTERIZATION OF SLAGS FROM FULL OR PILOT SCALE GASIFIERS 42 4.1. SLAG FROM GENERAL ELECTRICS GASIFIER IN TAMPA 43 4.1.1. Analysis of the suspending main phase 45 4.1.2. Analysis of the silica phase 50 4.1.3. Analysis of the metal enclosures 51 4.1.4. Analysis of the vanadium-rich particles 53 4.1.5. Summary of the analysis of the General Electrics gasifier slag 55 4.2. SLAG FROM GSP GASIFIER 57 4.2.1. NCPP slag 57 4.2.2. Huainan Anhui slag 64 4.2.3. Genesee slag 70 4.2.4. Hambach-Garzweiler 50:50 slag 75 4.2.5. Summary of the analysis of the GSP slags 86 4.3. SLAG FROM BRITISH GAS/LURGI (BGL) GASIFIER 88 4.3.1. Summary and conclusions of the analysis of the BGL slag 99 5. CHARACTERIZING CRYSTALLIZATION DURING SLAG VISCOSITY MEASUREMENTS 102 5.1. EXPERIMENTAL PROCEDURE 103 5.1.1. Sample preparation 107 5.1.2. Viscosity measurement 108 5.1.3. Differential thermal analysis (DTA) 108 5.1.4. Quench oven 108 5.1.5. XRD, XRF, SEM-EDX, and FactSage calculations 109 5.2. RESULTS AND DISCUSSION 109 5.2.1. Slag 1 (CO/CO2 atmosphere) 110 5.2.2. Slag 2 (CO/CO2 atmosphere) 112 5.2.3. Slag 3 (air atmosphere) 116 5.2.4. Slag 3 (CO/CO2 atmosphere) 119 5.3. CONCLUSION AND SUMMARY OF THE STUDY OF CRYSTALLIZATION IN SLAGS DURING COOLDOWN 122 6. THE EFFECT OF PHOSPHOROUS OXIDE ON SLAGS 125 6.1. PRELIMINARY SEWAGE SLUDGE SLAG INVESTIGATION 126 6.1.1. Conclusion and summary sewage slag investigation 136 6.2. EXPERIMENTAL PROCEDURE FOR PARAMETRIC STUDY 139 6.3. PARAMETRIC STUDY 141 6.3.1. HKN with 15% sand (HKNS) 142 6.3.2. HKNS with low P2O5 addition (HKNS5P) 147 6.3.3. HKNS with medium low P2O5 addition (HKNS10P) 153 6.3.4. HKNS with medium high P2O5 addition (HKNS15P) 158 6.3.5. HKNS with high P2O5 addition (HKNS20P) 163 6.3.6. P2O5 distribution 169 6.3.7. Effect of P2O5 on viscosity 174 6.4. SUMMARY ON THE INVESTIGATION OF P2O5 IN SLAGS 179 7. CONCLUSION AND OUTLOOK 185 8. REFERENCES 190 9. APPENDIX A: DIFFERENCE IN PREDICTION OF SEWAGE SLUDGE ELEMENTAL DISTRIBUTION 213 10. APPENDIX B COMPARISON OF XRF ANALYSES OF HKNS-P2O5 MIXTURES 215 11. APPENDIX C EDX MAPS OF THE QUENCH SAMPLES IN THE PARAMETRIC PHOSPHORUS ADDITION STUDY 218 12. APPENDIX D SUMMARY OF PHASE COMPOSITION OF THE EDX MAPS 239 13. APPENDIX E ENRICHMENT FACTORS FOR THE QUENCH SAMPLES IN THE PARAMETRIC PHOSPHORUS ADDITION STUDY 242