Chromium-based alloys for high temperature applications - The importance of Mo in the A2-A15 and A2-B2 system

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Zander, Lisa:
Chromium-based alloys for high temperature applications - The importance of Mo in the A2-A15 and A2-B2 system.
Bayreuth , 2026 . - iii, 131, XII S.
( Dissertation, 2026 , Universität Bayreuth, Fakultät für Ingenieurwissenschaften)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00009521

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Abstract

The continuous increase of greenhouse gas emissions and the resulting climate change require urgent improvements in energy efficiency and decarbonization across all major industrial sectors. In the aviation and energy conversion industries, increasing operating temperatures and reducing component weight are among the most effective strategies to improve efficiency. However, the service temperatures of state-of-the-art structural materials, namely nickel-based superalloys, are already well-optimized and have reached their limit. Chromium-based alloys represent a promising alternative material class due to their high melting temperature, low density, good thermal conductivity, and favorable availability, yet their application has been historically limited by low-temperature brittleness and insufficient oxidation and nitridation resistance.
This work systematically investigates Cr-based alloys, precipitation-strengthened with the Cr₃Si intermetallic phase, with the objective to extend their application window beyond that of Ni-based superalloys. The primary focus lies on the Cr-rich two-phase A2(Cr) + A15(Cr₃Si) system alloyed with molybdenum (Mo), specifically Cr-xMo-8 at.%Si alloys with Mo contents between 0 and 40 at.%. The role of Mo on phase stability, microstructure, oxidation and nitridation behavior at 1200 °C and mechanical properties from room temperature up to 1000 °C is assessed. Based on the insights gained, an alternative precipitation strategy is developed by replacing the A15((Cr,Mo)3Si) phase with low-misfit B2 (NiAl) precipitates, resulting in a BCC superalloy A2 + B2 concept within the Cr-Mo-Si-Ni-Al system.
The results demonstrate that Mo is a highly effective alloying element in Cr-based alloys, providing strong solid-solution strengthening, pronounced grain refinement, suppression of nitridation, and significantly improved oxidation behavior. An optimal Mo content around 25 at.% yields an attractive combination of high specific strength (100 N·m·g⁻¹ at 1000°C vs. 40 N·m·g⁻¹ for Ni-based MAR-M-247) and oxidation resistance at temperatures up to 1200 °C, though at the expense of low fracture toughness and a higher ductile-to-brittle transition temperature. The introduction of B2 precipitates improves upon the room-temperature fracture toughness limitations of the A2 + A15 system, while enabling strength up to higher temperatures as compared to the A15-
strengthened alloys. Overall, this work establishes Cr-based Cr-Mo-Si (A2 + A15) and Cr-Mo-Si-Ni-Al (A2 + B2) alloys as promising candidates for next-generation high-temperature structural materials and provides a foundation for further alloy and processing optimization.

Abstract in weiterer Sprache

Der kontinuierliche Anstieg der Treibhausgasemissionen und der daraus resultierende Klimawandel erfordern dringend Verbesserungen der Energieeffizienz und der Dekarbonisierung in allen wichtigen Industriesektoren. In der Luftfahrt sowie in Energiewandlungstechnologien zählen die Erhöhung der Servicetemperaturen und die Reduzierung des Bauteilgewichts zu den effektivsten Strategien zur Effizienzsteigerung. Nickelbasis-Superlegierungen sind der aktuelle technische Standard für Hochtemperatur-Strukturwerkstoffe, jedoch ist die Legierungsentwicklung hinsichtlich ihrer Einsatztemperatur ausgereizt. Chrombasis-Legierungen stellen aufgrund ihrer hohen Schmelztemperatur, geringen Dichte, guten Wärmeleitfähigkeit und günstiger Rohstoffverfügbarkeit eine vielversprechende alternative Werkstoffklasse dar. Ihre Anwendung ist jedoch historisch durch unzureichende Duktilität bei niedrigen Temperaturen, sowie eine unzureichende Oxidations- und Nitrierungsbeständigkeit begrenzt.
Diese Arbeit untersucht systematisch Cr-basierte Legierungen, die mittels der intermetallischen Phase Cr₃Si ausscheidungsgehärtet sind, mit dem Ziel, ihr Anwendungsfenster über das von Ni-basierten Superlegierungen hinaus zu erweitern. Der Schwerpunkt liegt auf dem Cr-reichen zweiphasigen A2(Cr) + A15(Cr₃Si)-System, das mit Molybdän (Mo) legiert ist, insbesondere auf Cr-xMo-8 at.% Si-Legierungen mit Mo-Gehalten zwischen 0 und 40 at.%. Der Einfluss von Mo auf Phasenstabilität, Mikrostruktur, Oxidations- und Nitrierungsverhalten bei 1200 °C sowie auf die mechanischen Eigenschaften von Raumtemperatur bis zu 1000 °C wird untersucht. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse wird eine alternative Ausscheidungsstrategie entwickelt, bei der die A15-Phase ((Cr,Mo)₃Si) durch B2-(NiAl-)Ausscheidungen mit sehr geringer Gitterfehlanpassung ersetzt wird, was zu einem A2 + B2-Legierungskonzept im System Cr-Mo-Si-Ni-Al führt.
Die Ergebnisse zeigen, dass Mo ein äußerst effektives Legierungselement in Cr-basierten Legierungen ist und eine starke Mischkristallhärtung, ausgeprägte Kornverfeinerung, eine Unterdrückung der Nitrierung sowie eine signifikant verbesserte Oxidationsbeständigkeit bewirkt. Ein optimaler Mo-Gehalt von etwa 25 at.% führt zu einer attraktiven Kombination aus hoher spezifischer Festigkeit
(100 N·m·g⁻¹ bei 1000°C vs. 40 N·m·g⁻¹ für die Ni-basierte Legierung MAR-M-247) und Oxidationsbeständigkeit bei Temperaturen bis zu 1200 °C, allerdings auf Kosten einer geringen Bruchzähigkeit bei Raumtemperatur und einer erhöhten Spröd-Duktil-Übergangstemperatur. Die Einführung von B2-Ausscheidungen verbessert erfolgreich die Bruchzähigkeit bei Raumtemperatur verglichen mit dem A2 + A15-System und ermöglicht eine Hochtemperaturfestigkeit, die die von A15-gehärteten Legierungen übertrifft. Insgesamt etabliert diese Arbeit Cr-basierte Cr-Mo-Si (A2 + A15) und Cr-Mo-Si-Ni-Al (A2 + B2) Legierungen als vielversprechende Kandidaten für Hochtemperatur-Strukturwerkstoffe der nächsten Generation und schafft eine Grundlage für weitere Legierungs- und Prozessoptimierungen.