Einkristalline Ni-Legierungen

Einkristalline Superlegierungen

Einführung
Ein wichtiges Ziel der Legierungsentwicklung ist, die Rolle von Mischkristallhärtung und Ausscheidungshärtung durch die γ'-Phase zu verstehen. Dafür wird der unterschiedliche Einfluß der Mischkristallbildner Re und W analysiert. Diese Elemente wurden ausgewählt, weil Re in γ' praktisch unlöslich ist, während sich W zwischen den γ- und γ'- Phasen praktisch gleich verteilt. Die Hauptziele des Programmes sind:

  • Verständnis der grundlegenden Verfestigungsmechanismen, nämlich Mischkristall- gegenüber Ausscheidungshärtung und der Einfluß von Legierungszugaben wie Re und W
  • Die Entwicklung neuer Einkristall-Superlegierungen für große Turbinenschaufeln in stationären Gasturbinen
  • Das Legierungssystem
    Verschiedene Legierungssysteme, die auf dem System Ni-Al-Ta-X basieren, werden untersucht, wobei X entweder Re oder W ist. Zu einigen Legierungen werden Cr und Mo hinzugefügt, um die γ/γ'-Gitter-Fehlpassung zu kontrollieren. In einigen Re-haltigen Legierungen wird Co zulegiert, um die Bildung von α-Re-Ausscheidungen zu unterdrücken. Thermodynamische Berechnungen mit dem Programm Thermocalc werden verwendet, um das Legierungsdesign zu optimieren. Bei der Auswahl der Zusammensetzung werden zusätzlich folgende Effekte berücksichtigt:

    • mikrostrukturelle Stabilität gegen unerwünschte Bildung von TCP-Phasen
    • Ein genügend großes Wärmebehandlungsfenster für vollständige γ'-Löslichkeit
    • niedrige γ/γ'-Fehlpassung
    Figure2
    Bildnachweis: Arne Dammasch/Alle Rechte bei der TU-Braunschweig

    Vorbereitung und Optimierung der Wärmebehandlun
    Polykristalline Legierungen werden im Vakuuminduktionsofen erschmolzen und in metallische Formen gegossen. Im ersten Schritt der Wärmebehandlung wird die Legierung homogenisiert. Die Lösungsglühung wird in jeder Legierung so optimiert, daß vollständige Lösung der γ'-Phase eintritt. Ein anschließendes Zwei-Schritt-Alterungs-Verfahren erlaubt die genaue Kontrolle über die Morphologie und Verteilung der γ'-Teilchen.

    Figure4
    Bildnachweis: Arne Dammasch/Alle Rechte bei der TU-Braunschweig
    Poly-Legierung
    Bildnachweis: Arne Dammasch/Alle Rechte bei der TU-Braunschweig

    Charakterisierung der polykristallinen Legierungen
    Polykristalline Legierungen aus den W- und Re-Serien werden in Hinblick auf ihre Mikrostruktur und ihren Ausscheidungscharakter detailliert untersucht. Auf dieser Basis werden die Zusammensetzungen der Einkristall-Legierungen gezielt ausgewählt. Die hauptsächlichen Methoden und Merkmale sind:

    • Mikrostruktur; γ'-Ausscheidungs-Morphologie mittels Lichtmikroskop, REM und TEM.
    • Zusammensetzung der γ- and γ'-Phasen mittels EDS/TEM.
    • γ'-Volumenanteile mittels electrochemischer Extraktion und EDS/TEM.
    • γ/γ'-Fehlpassung mittels Röntgenbeugung und CBED/TEM
    Figure5
    Bildnachweis: Arne Dammasch/Alle Rechte bei der TU-Braunschweig
    Poly-Legierung
    Bildnachweis: Arne Dammasch/Alle Rechte bei der TU-Braunschweig

    Einkristall-Legierungen
    Drei Legierungen aus der W-Serie mit γ'-Volumenanteilen von 45 bis 70% werden bei Doncaster, Bochum erschmolzen und in Einkristall-Stangen gegossen. Diese Legierungen werden in Bezug auf ihre Mikrostruktur und auf mechanische Eigenschaften wie das Kriechverhalten bei Temperaturen bis 1000°C untersucht.

    Ansprechpartner:

    Dr. Debashis Mukherji