Einkristalline Superlegierungen
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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
1. Verständnis der grundlegenden Verfestigungsmechanismen, nämlich Mischkristall- gegenüber
Ausscheidungshärtung und der Einfluß von Legierungszugaben wie Re und W;
2. Die Entwicklung neuer Einkristall-Superlegierungen für große Turbinenschaufeln in
stationären Gasturbinen
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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
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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
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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
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Einkristall-Legierunge
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.
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Ansprechpartner:
Bearbeiter:
Dr. Debashis Mukherji
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