sze · Web viewLektion 4: Superlegierungen auf Nickelbasis Z weck: Kennenlernen des Verhaltens und der Verwendung von Superlegierungen im Allgemeinen durch das Beispiel der Nickelbasis-Superlegierungen

Modultitel: Grundlagen der Metallkunde Titel der Lektion: Superlegierungen auf Nickelbasis Autorin: Zsoldos, Ibolya

Modul 1: Grundlagen der Metallkunde

Lektion 4: Superlegierungen auf Nickelbasis

Zweck: Kennenlernen des Verhaltens und der Verwendung von Superlegierungen im Allgemeinen durch das Beispiel der Nickelbasis-Superlegierungen. Nach der Kristallstruktur und den hauptsächlichen Zielen der Legierung werden die mit verschiedenen Legierungselementen gebildete Phasen, Phasentransformationen und die Wärmebehandlung beschrieben.

AnforderungenSie haben sich den Lehrstoff angeeignet, wenn Sie:

- die gegenüber den Nickelbasis-Superlegierungen erwarteten wichtigsten Eigenschaften auflisten können,

- die Struktur von Nickel und seinen Legierungen definieren können,- die Eigenschaften von Nickel und seinen Legierungen auflisten können,- die Kristallstrukturen und die verschiedenen Legierungsphasen unterscheiden können (γ-

Phase, γ'-Phase, γ''-Phase), - die γ-Phase, die γ'-Phase, die γ''-Phase beschreiben können,- die Rolle der verschiedenen Kristallstrukturen und deren Kombinationen in der

Steigerung der Hitze- und Kriechfestigkeit mithilfe der Dislokationstheorie mit eigenen Worten definieren können,

- die Art der Beeinflussung der Verhältnisse der γ-Phase und der γ'-Phase ermitteln können,

- die Wärmebehandlungsziele und –methoden auflisten können, - die vorgestellten Phasentransformationen beschreiben können,- mithilfe von Beispielen die Rolle der grundsätzlichen Legierungselemente und

Legierungsziele definieren/beschreiben können, - die Wirkungen der Legierungselemente der Nickelbasis-Superlegierungen definieren

können,- die Struktur, Legierung, Eigenschaften und Herstellungsweise der OSD Superlegierungen

mit eigenen Worten beschreiben können, - individuelle Methoden zur Festigkeitssteigerung, Kriechbeständigkeitssteigerung,

Legieren und Reinigung mit eigenen Worten formulieren können, - die Herstellungsmethoden von Nickelbasis-Superlegierungen und deren Merkmale

auflisten können, - die wichtigsten Verwendungsmöglichkeiten der Nickelbasis-Superlegierungen auflisten

und definieren können.

Zeitaufwand: 100 Minuten.

Schlüsselbegriffe: Kristallstruktur Phasentransformation


γ-Phase, γ'-Phase besondere Legierungselement Superlegierungen Verwendung von Superlegierungen in der Luftfahrtindustrie Wärmebehandlung

1. Superlegierungen

Aktivität: merken Sie sich die Definition der Superlegierungen, die den Superlegierungen gestellten Anforderungen und die Arten der Superlegierungen.

Superlegierungen sind Metalllegierungen, welche bei hoher Temperatur (oft bei annähernd 70% des Schmelzpunktes) verwendet werden. Die primären Kriterien die zu erfüllen sind, sind die hohe Festigkeit, sowie die Kriech- und Oxidierungsbeständigkeit. Eisenbasis-, Cobaltbasis- und Nickelbasis-Superlegierungen sind die am meisten verbreiteten Superlegierungen. Die Letztere ist jene, die in Flugzeugmotoren am erfolgreichsten verwendet wird.

2. Hauptsächlich verwendeten Legierungselemente von Nickelbasis-Superlegierungen, Kristallstruktur

Aktivität: notieren Sie und erlernen Sie die temperaturabhängigen Änderungen in der Stabilität der Gamma- (γ) und der so genannten Gamma-Prime (γ') Phase!

Die wichtigsten Legierungselemente der Nickelbasis-Superlegierungen sind Aluminium und/oder Titan. Der Legierungselementenanteil ist niedriger als 10%. Ihre Mikrostruktur besteht aus zwei Phasen: die Gamma- (γ) und die sogenannte Gamma-Prime- (γ') Phasen. Die γ'-Phase spielt eine wesentliche Rolle bei der Entstehung der großen Festigkeit bei hoher Temperatur und der Kriechfestigkeit. Der Ausmaß der γ'-Phase hängt von der chemischen Zusammensetzung und der Temperatur ab, so wie es auf den Dreikomponentenphasendiagramm ersichtlich ist, Abbildung 1.

Aktivität: beobachten Sie auf der Abbildung, dass die der γ'-Phase entsprechende Fläche bei höherer Temperatur kleiner ist als bei niedrigerer Temperatur.


Abbildung 1: Ni-Al-Ti Phasendiagramm

Durch das Vergleichen der zu den verschiedenen Temperaturen gehörende Diagramme, auf Abbildung 1 rechts und links, kann festgestellt werden, dass bei einer angegebenen chemischen Zusammensetzung der Anteil der γ'-Phase sich mit der Steigerung der Temperatur verringert. Dies ist die Grundlage der Wärmebehandlung von Nickelbasis-Superlegierungen. Das erfolgt generell so, dass die Legierung zuerst auf eine genügend hohe Temperatur erhitzt wird, wo die γ'-Phase nicht mehr stabil ist, sie danach auf einer niedrigeren Temperatur gehalten wird, wo sich in gleichmäßiger Verteilung festigkeitssteigernde γ'-Ausscheidungen mit hoher Feinkörnigkeit bilden.

Aktivität: notieren und erlernen Sie die Eigenschaften der Gamma- (γ) und der sogenannten Gamma-Prime (γ') Phasen, zeichnen Sie je eine Elementarzelle der Kristallstruktur auf!

Die γ-Phase ist eine Phase mit flächenzentrierter kubischer Kristallstruktur, wo Atome verschiedener Arten (Ni, Ti, Al) zufallsmäßig auf den Gitterpunkten unterkommen. Auf jedem Gitterpunkt können sich die Atome der drei Komponenten mit der gleichen Wahrscheinlichkeit befinden.

Die γ'-Phase ist genauso eine Phase mit flächenzentrierter kubischer Kristallstruktur, gegenüber der γ-Phase ist hier aber die Allokation der Atome bestimmt. In den Flächenzentren befinden sich Ni Atome, und die Al oder Ti Atome befinden sich in den Eckpunkten der Würfel.

Aktivität: beobachten Sie auf den in Abbildung 2 dargestellten Kristallzellen die drei verschiedenen Atomanordnungen, und vergleichen Sie die zwei verschiedenen Strukturen!


Abbildung 2: Die Elementarzellen der Kristallstruktur der γ-Phase und der γ'-Phase

Aktivität: notieren und erlernen Sie, wie sich die γ- und γ'-Phasen nebeneinander anordnen, und welche festigkeitssteigernde Wirkung in der gemeinsamen Struktur der zwei Phasen auftritt.

Die γ-Phase bildet die Matrix, wo auch die γ'-Ausscheidungen erscheinen. Da beide Phasen über die gleiche, flächenzentrische kubische Kristallstruktur verfügen, hängen die Orientierungen der Kristallstrukturen zusammen: die Kanten der kubischen Zellen verlaufen parallel zueinander. Außerdem sind die Gitterparameter annähernd identisch, bei kleinen Ausscheidungen bildet die γ'-Phase eine zusammenhängende Struktur mit der γ-Phase. Trotz der zusammenhängender Struktur können die Dislokationen nur schwer aus der γ-Phase in die γ'-Phase treten. In der γ'-Phase ist die Lage der Atome geordnet, und dieses Geordnet sein verhindert die Bewegung der Dislokationen, was die Festigkeit der Legierung steigert.

Aktivität: notieren und erlernen Sie, was die Bedeutsamkeit des kleinen Unterschiedes zwischen den Gitterstrukturen der γ-Phase und der γ'-Phase ist, und wie die Ausrichtung und der Ausmaß der Abweichung zu beeinflussen ist.

Die kleine Abweichung zwischen den Gitterstrukturen der γ-Phase und der γ'-Phase ist wegen den Folgenden von Bedeutung: Weil die Orientation der kubischen Kristallgitter der zwei Phasen identisch ist, ist die Oberflächenenergie auf der Phasengrenze niedrig. Der Zuwachs an Ausscheidungen wird durch die Bestrebung auf das Minimum der Oberflächenenergie bestimmt. Die zusammenhängenden, oder beinahe zusammenhängenden Struktur der γ-Phase und der γ'-Phase sind deswegen sehr stabil, und diese Eigenschaft bleibt bei hoher Temperatur bestehen. Die kleine Abweichung der Gitterstrukturen der γ-Phase und der γ'-Phase beeinflusst das Verhalten der Struktur bei Belastungen bei hoher Temperatur. Die Ausrichtung und der Ausmaß der Abweichung sind mittels Änderung des Massenverhältnisses von Aluminium und Titan zu beeinflussen. Die Abweichung ist als positiv zu betrachten, wenn der Gitterparameter von der γ'-Phase größer ist, als der der γ-Phase.


Aktivität: notieren und erlernen Sie, bei welchen Verwendungsbereichen man auf solche Nickel-Superlegierungen treffen kann, wo die γ'-Phase in niedrigerem, beziehungsweise höherem Anteil vorhanden ist.

Abbildung 3 zeigt Bilder der Mikrostruktur durch einen Transmissionselektronenmikroskop. In den Legierungen auf dem Bild links ist der Anteil der γ'-Phase größer als 0,6. Dieser ungewöhnlich große Anteil kommt im Material von Turbinenschaufeln von Flugzeugen vor, wo die Betriebstemperatur höher ist als 1000oC. Ein niedrigerer Anteil der γ'-Phase (ca. 0,2, auf dem Bild rechts) wird gewöhnlicher weise dann gewählt, wo die Betriebstemperatur niedriger ist (750oC, zum Beispiel bei dem Material von Ventilen in Verbrennungsmotoren), und wo während der Produktion Schweißen verwendet wird.

Abbildung 3: Transmissionselektronenmikroskopsmikrostrukturenbilder.

Anzahl der γ'-Körnchen in der γ-Matrix: Ni-9.7Al-1.7Ti-17.1Cr-6.3Co-2.3W

Hillier, Ph.D. Thesis, University of Cambridge, 1984

Der Anteil der γ'-Körnchen in der γ-Matrix ist niedriger: Ni-20Cr-2.3Al-2.1Ti-5Fe-

0.07C-0.005B. Auf der sich von der linken unteren Ecke diagonal nach rechts oben befindlicher Körnchengrenze sind auch

M23C6 Karbidkörnchen auffindbar.

3. Große Festigkeit bei hoher Temperatur

Aktivität: notieren und erlernen Sie die mit der Dislokationstheorie zusammenhängende Erklärung der hohen Festigkeit.

Die Festigkeit der meisten Metalllegierungen verringert sich mit der Steigerung der Temperatur. Das ist einfach deswegen so, weil bei höherer Temperatur die Dislokationen leichter über die Barrieren durchkommen. Die Nickelbasis-Superlegierungen besitzen, da sie über eine γ'-Phase mit Ni3(Al, Ti) Zusammensetzung verfügen, bei hohen Temperaturen auch eine außerordentlich hohe Festigkeit. Die Versetzungen erscheinen treten in der γ-Phase und in der γ'-Phase ebenfalls in der Ebene mit der dichtesten Anpassung, {111}, (die in der kubischen Elementarzelle durch die Flächendiagonalen bestimmte Ebene) auf. Wenn die Versetzungen (und ihr Gleiten) bei allen Temperaturen in diesen Ebenen erscheinen würden, dann würde sich die Festigkeit mit der Erhöhung der Temperatur sinken. In der γ'-Phase können sich die Versetzungen jedoch auch


auf den Ebenen {100}, (auf den Seitenflächen der kubischen Elementarzelle) bewegen, weil die Phasengrenzenenergie in diesen Ebenen mit der Erhöhung der Temperatur sinkt. Jene Dislokationen, die zum Teil durch die dicht anpassenden Ebene (der Ebene {111}), und zum Teil auf der Seitenfläche der Würfel (Ebene {100}) durchdringen würden, werden in der Struktur geblockt, und dieses Phänomen führt zur Erhöhung der Festigkeit. Die Festigkeit verringert sich erst bei ungefähr 600oC, wo durch den bewegungsfördernden Effekt der Erhöhung der Temperatur die blockierten Versetzungen auch die Barrieren überwinden können.

Der Grund der hohen Festigkeit der Nickelbasis-Superlegierungen bei hoher Temperatur ist also das Vorhandensein der γ'-Phase.

Aktivität: vergleichen sie die Steigung der zu den Punkten aufgezeichneten Kurve bei den Bereichen rechts und links von 600 oC. Interpretieren Sie den Unterschied!

Abbildung 4: Elastizitätsgrenze einer Superlegierung mit 20%-igem γ'-Phasengehalt

Auf dem Diagramm (Abbildung 4) zeigen die Punkte Messwerte an, die Kurve ist ein über den Punkten geschätzter Ablauf.

Bis ungefähr 600 oC kann man eine Temperaturunabhängigkeit ablesen.

Aktivität: Zeichnen Sie die Struktur der γ''-Phase auf, und lernen Sie ihre vorteilhaften Eigenschaften.

Wenn der Festigkeitsanspruch bei niedrigerer Temperatur auch außerordentlich groß ist (z.B.: bei Turbinenscheiben), wird die Legierung mit der sogenannten γ''-Phase weiter verstärkt. Diese Phase entsteht durch das Legieren mit Niob oder Vanadium, bei Ni3Nb oder Ni3V Zusammensetzungen. Die Orientierung der tetragonalen Zellen der die γ''-Phase bildenden Plättchen stimmt mit der der kubischen Zellen der γ-Phase überein, so dass die Kanten der Zellen parallel sind.

Die Kristallstruktur der γ''-Phase ähnelt der Raumzentrierten tetragonalen Gitterstruktur, in welchem sich, in der auf Abbildung 5 ersichtlichen Ordnung, Nickel und Niobatome geordnet befinden.

Die verstärkende Wirkung besteht dank der gleichen Orientierung der γ-Phase und der γ''-Phase, sowie der geordneten Anordnung der Atome. Abbildung 5: Die tetragonale


Kristallstruktur der γ''-Phase, Grundkante: 0,362 nm, Höhe: 0.741 nm

4. Sonstige LegierungselementeAktivität: notieren und erlernen Sie die Funktion der Legierungselemente und der Legierungsziele!

Die handelsüblichen Nickelbasis-Superlegierungen enthalten außer Aluminium und Titan auch andere Legierungselemente.

Chrom und Aluminium steigern die Oxidationsbeständigkeit der Legierungen Eine kleine Menge Yttrium hilft dabei, dass zwischen der oberflächenschützenden

Oxidschicht und dem Innenvolumen ein kohärenter Übergang zustande kommt. Die Polykristall-Superlegierungen enthalten weitere Verstärkungselemente an den

Körnchengrenzen. Das zu diesem Zweck hinzugefügte Bor und Zirkonium segregiert sich an den Körnchengrenzen, womit sich die Oberflächenenergie der Körnchengrenzen weiter verringert und damit die Kriechfestigkeit verbessert.

Außerdem ist es üblich carbidebildende Legierungselemente (C, Cr, Mo, W, Nb, Ta, Ti und Hf) zu verwenden. Die Carbide bilden auch an den Körnchengrenzen Ausscheidungen, welche das Verrutschen der Körnchengrenzen verhindern.

Für die Bildung von γ- und γ'-Mischkristallen ist außer Titan und Aluminium auch Cobalt, Eisen, Chrom, Niob, Tantal, Molybdän, Vanadium und Wolfram geeignet. Der gemeinsame Anteil der Legierungselemente kann aber einen gewissen Grenzwert nicht überschreiten, bei einem diesen Grenzwert überschreitenden Legierungselementenanteil bilden sich schädliche Ausscheidungen. Es gibt keine mit einer einfachen Formel formulierte Regel der Definition von kritischen Konzentrationen, daher ist bei der Planung von Legierungen die Analyse von den in der Fachliteratur befindlichen, gemessenen und kalkulierten Phasendiagrammen empfehlenswert.

Die Fachliteratur teilt die Superlegierungseinkristalle in die ersten, zweiten und dritten Generationen ein. Die zweite und dritte Generation enthält ungefähr 3% und 6% Rhenium. Das Rhenium ist ein sehr teures Legierungselement, man kann aber mit seiner Verwendung eine wesentliche Verbesserung der Kriechfestigkeit erreichen. Rhenium inkorporiert sich in die γ-Phase, und verschiebt die weiter oben genannte Abweichung der Gitterstrukturen der γ-Phase und der γ'-Phase bedeutend in die negative Richtung. Es ist auch schon gelungen nachzuweisen, dass Rhenium im Allgemeinen eine diffusionshemmende Wirkung in der Struktur von Nickelbasis-Superlegierungen hat.

5. Mikrostruktur und Wärmebehandlung

Aktivität: notieren und erlernen Sie die Wirkungen der Wärmebehandlung auf die Körnchengröße!

Um optimale Eigenschaften bilden zu können, werden die Nickelbasis-Superlegierungen nach der Herstellung durch Gießen auf zwei verschiedenen Temperaturen wärmebehandelt.


Während der Wärmebehandlung bei höherer Temperatur entstehen gröbere γ'-Phasen-Ausscheidungen.

Während der darauffolgend verwendeter, auf niedrigerer Temperatur erfolgter Wärmebehandlung entstehen weitere γ'-Ausscheidungen, und die Größe und Verteilung dieser sekundären Ausscheidungen wird feiner ausfallen.

Das Ergebnis ist die auf Abbildung 6 ersichtliche Verteilung der zwei γ'-Ausscheidungen.

Aktivität: beobachten Sie die größeren und kleineren hellen γ'-Ausscheidungen in der Textur

Abbildung 6: Mikrostruktur einer wärmebehandelten Nickelbasis-

Superlegierung

Die Temperatur der Wärmebehandlung bestimmt nicht nur die Größe der Körnchen in der γ'-Phase, sondern auch die in der γ-Phase. Die Größe der Körnchen steigt an, wenn während des Erhitzens und der Haltung auf dieser Temperatur, wenn sich die komplette Menge der γ'-Phase auflöst.

Die linke Seite von Abbildung 7 zeigt eine Textur, wo bei Beginn der Wärmebehandlung die Körnchen der γ'-Phase sich noch nicht vollständig aufgelöst haben. Das Ergebnis ist die auf dem Bild ersichtliche feinkörnige Struktur. Das rechte Bild zeigt eine auf höherer Temperatur wärmebehandelte Superlegierungsstruktur, wo bei Beginn der Wärmebehandlung die vollständige Menge der γ'-Phase aufgelöst ist. In diesem Fall sind die nach der Wärmebehandlung entstehenden γ'-Körnchen größer, was auch auf dem Bild ersichtlich ist.

Aktivität: vergleichen sie die zwei Texturen. Formulieren Sie auf Grund des Textes was der Grund für die Unterschiede der Körnchengrößen ist!


Abbildung 7: Mikrostrukturen der auf niedrigerer und höherer Temperatur wärmebehandelten Nickelbasis-Superlegierungen.

6. Stärkung von Superlegierungen mittels Yttriumoxid

Aktivität: notieren und erlernen Sie die Herstellungstechnologie der ODS Superlegierung mit extrem hoher Festigkeit!

In diesem Punkt wird ein wichtiges Beispiel der bei hohen Temperaturen auch große Festigkeit besitzenden Materialen vorgestellt. Die mit den Dispersionen von Oxiden verstärkten Superlegierungen werden aus Metallpulvern und Yttriumoxidpulvern mittels mechanischer Legierung hergestellt. Währenddessen erscheint das Yttriumoxid in einer sehr feinen Verteilung in der Struktur des Endproduktes. Die mechanische Legierung ist aber nur sehr schwer und mit großem Kostenaufwand zu verwirklichen, deshalb werden diese Legierungen nur in sehr wohlbegründeten Fällen verwendet.

Auf Abbildung 8 kann man ein mit einem Transmissionselektronenmikroskop erzeugter Aufnahme die Verteilung der Oxide (kleine schwarze Körnchen) bei einer mit mechanischer Legierung hergestellten Superlegierung sehen.

Abbildung 8: Mikrostruktur der Superlegierung ODS MA6000

7. Verwendung von Nickelbasis-Superlegierungen

Aktivität: notieren und erlernen Sie die Verwendungen der Nickelbasis-Superlegierungen in Turbinenschaufeln.


Turbinenschaufeln

Eine der wichtigsten Verwendungsbereiche der Nickelbasis-Superlegierungen ist die Herstellung von Turbinenschaufeln von Flugmaschinen. Bei den Monokristallen fehlen die Körnchengrenzen, deswegen ist die Kriechfestigkeit sehr hoch. Die bei einem nach bestimmter Kristallorientierung geführtem Erstarrungsprozess entstehende säulenartige Körnchenstruktur enthält schon mehr Körnchen, diese Legierungen werden jedoch so verwendet, dass die Orientierung der säulenartigen Körnchen parallel zur hauptsächlichen Ausrichtung der Belastung verläuft. Die mit dieser Methode gefertigten Schaufeln sind nicht so gut, wie die Schaufeln aus Monokristallen, sind aber wesentlich besser als die während einem anisotropen Erstarrungsprozess gefertigten Strukturen. Die Monokristallsuperlegierungen kann man bei höherer Temperatur verwenden als die Polykristallsuperlegierungen. Die aus Nickelbasis-Superlegierungen gefertigten Turbinenschaufeln werden mittels Präzisionsguss gefertigt. Der Fertigungsprozess der Gusswerkzeuge ist aufgrund der komplizierten Form der Schaufeln, der Gestaltung von Kühlungskanälen und weiteren Werkzeugelementen komplex.

Die aus Nickelbasis-Superlegierungen gefertigten Schaufeln sind in Flugzeugmotoren und Gasturbinen auffindbar, in jenen Einheiten, wo die Temperatur 400 o C übersteigt . Bei den Konstruktionen, die auf niedrigerer Temperatur funktionieren, werden aus Titanlegierungen hergestellte Schaufeln verwendet. Die Titanlegierungen neigen bei 400oC übersteigender Temperatur bei gewissen Umständen zur Entflammung.

a) Aus Monokristall gefertigte Turbinenschaufel.

b) Aus einem mittels geführtem Erstarrungsprozess hergestelltem Polykristall gefertigte Turbinenschau

c) Aus einem mittels anisotropen Erstarrungsprozess hergestelltem Polykristall gefertigte Turbinenschau

d) In Rolls-Royce Motoren auffindbaren Legierungen. Die Nickelbasis-Superlegierungen sind rot gekennzeichnet.


fel felAbbildung 9: Verwendung von Nickelbasis-Superlegierungen

TurbinenschaufelräderAktivität: Notieren und erlernen Sie die Verwendungsbereiche der Nickelbasis-Superlegierungen in Turbinenschaufeln.

Die Turbinenschaufeln werden auf dem Turbinenschaufelrad montiert, das um der Turbinenachse rotiert. In der Umgebung des Turbinenschaufelrades ist die Temperatur niedriger als bei den Turbinenschaufeln. Das Schaufelrad muss gegen Schwingungsbrüche resistent sein. Das Turbinenschaufelrad wird in der Regel durch auf das Gießen folgende Schmieden aus Polykristall-Nickelbasis-Superlegierungen hergestellt.Eine der Schwierigkeiten ist, dass die Struktur der Legierung nach dem Gießen aus säulenartigen Körnchen besteht, welche eine beträchtliche Menge von verunreinigenden Ausscheidungen enthält, und diese nicht vollkommen aus dem Produkt entfernt werden können. Dies führt zur Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften.

Eine Möglichkeit zur Vermeidung der Verunreinigungen ist, wenn das Schaufelrad aus feinkörnigen, reinen Pulvern, durch Extrusion und Pressen bei hohem Druck, und anschließendem Schmieden gefertigt wird. Der Prozess wird durch die aufwändige und kostspielige Herstellung der als Grundmaterial verwendeten reinen Pulvern erschwert.

Abbildung 10: Auf pulvermetallurgischem Wege hergestelltes Turbinenschaufelrad

Turbolader

Aktivität: Notieren und erlernen Sie die Verwendungsbereiche der Nickelbasis-Superlegierungen in Turboladern.


Verbrennungsmotoren funktionieren normalerweise mit einer Mischung in bestimmtem Verhältnis von Benzin (oder Diesel) und Luft. Der Turbolader ist ein Gerät, was mehr Luft in den Motor presst, und so wird in jedem Takt die Verbrennung von mehr Kraftstoff ermöglicht, und folglich so die Leistung des Motors erhöht. Ein Teil des Turboladers ist eine Turbine, was durch die Auspuffgase des Motors angetrieben wird. Mit der Rotation der Turbine wird die überschüssige Luft in den Motor gepumpt. Die Drehzahl der Turbine beträgt 100-150 Tausend Umdrehungen pro Minute. Weil der Turbolader mit Auspuffgasen betrieben wird, muss er bei hoher Temperatur und hoher Festigkeit gegen Korrosion und Oxidierung beständig sein.

Abbildung 11: Aus Nickelbasis-Superlegierungen gefertigter Turbolader. Das Material: Inconel 713C, Zusammensetzung: Ni-2Nb-12.5Cr-4.2Mo-0.8Ti-6.1Al-0.12C-

0.012B-0.1Zr

Der Umschmelzeprozess

Aktivität: Notieren Sie und zeichnen Sie das Prinzip und den Prozess der Bereinigung von Nickelbasis-Superlegierungen durch Umschmelzen auf.

Das Umschmelzen ist bei der Entfernung von Verunreinigungen ausschlaggebend. Der Aluminium- und Titangehalt der Superlegierungen neigt zu chemischen Reaktionen (insbesondere mit Sauerstoff) Deswegen wird das Umschmelzen unter Vakuum durchgeführt, was zum Vorteil hat, dass die in kleinen Mengen vorhandenen schädlichen Elemente auch durch Verdampfen austreten können. Allgemein wird Induktionsschmelzen unter Vakuum verwendet, da dies das Homogenisieren fördert, und die Gase und weiteren Verunreinigungen optimal entfernt werden können.

Vakuumschmelzen wird bei dem Reinigen vieler verschiedener Legierungen verwendet. Eine Skizze der Anordnung ist auf Abbildung 12 ersichtlich. Das zu schmelzende Material ist selber die Elektrode (a), was mittels Lichtbogenentladung erhitzt wird. Die am Ende der Elektrode geschmolzenen Tröpfchen sickern durch das Vakuum hindurch und so wird der reinigende Effekt des Vakuums hervorgerufen. Das geschmolzene Metall wird in einem mit Wasser gekühlten Behälter gesammelt. In dem Geschmolzenen (b) kann durch das Dekantieren der festen Verunreinigungen ein

Abbildung 12: Skizze des theoretischen Vakuumschmelzens


weiterer Reinigungseffekt erzielt werden. Das Metall mit der geplanten Textur erstarrt unten (c)

Der Prozess des anderen Schmelzverfahrens, dem Reinigen durch Elektroschlackenumschmelzen, ähnelt dem des Vakuumumschmelzens. Der Unterschied ist, dass das geschmolzene Metall mit einer 10 cm dicken Schlackschicht bedeckt ist. Die Schlacke besteht aus Kalk, Tonerde oder Fluorit (Flussspat). Das zu schmelzende Metall ist erneut die Elektrode, welches die Schlacke berührt. Die Schlacke hat einen hohen elektrischen Widerstand, und verflüssigt sich deswegen, und die Temperatur übersteigt den Schmelzpunkt der Metallelektrode. Die Spitze der Elektrode schmilzt, und die geschmolzenen Tropfen sickern durch die Schlacke hindurch, wobei die reinigende Wirkung erfolgt. Letztendlich sammelt sich das geschmolzene Metall in der unteren Seite des Geräts. Bei Superlegierungen wird das Reinigen durch Umschmelzen im Allgemeinen zwei- oder mehrmals durchgeführt.

Verwendete Literatur:1. H. K. D. H. Bhadeshia: Nickel based superalloys, MSc Universitätsskript, Cambridge

University, 2003, http://www.msm.cam.ac.uk/phase-trans/2003/Superalloys/superalloys.html

2. Tapany Udomphol: Nickel and its alloys, MSc Universitätsskript, Suranaree University of Technology Thailand, 2007, http://www.sut.ac.th/engineering/metal/pdf/Nonferrous/06_Nickel%20and%20its%20alloys.pdf

http://www.msm.cam.ac.uk/phase-trans/2003/Superalloys/superalloys.html


Fragen zur Selbstkontrolle:

1. Wählen Sie die richtige Antwort aus! Wie verändert sich die Stabilität der γ'-Phase in Nickelbasis-Superlegierungen mit der Temperatur?

weniger stabil auf höherer Temperatur weniger stabil auf niedrigerer Temperatur überhaupt nicht stabil auf Zimmertemperatur stabil über 973 0C

2. Wählen Sie die richtige Antwort aus!Wie kann man den kleinen Unterschied zwischen den Kristallstrukturen der und γ' Phasen in Nickelbasis-Superlegierungen beeinflussen?

mit dem Hinzufügen einer kleinen Menge Niob mit dem Hinzufügen einer kleinen Menge Vanadium mit Wärmebehandlung mit der Veränderung der Massenverhältnisse von Aluminium und Titan

3. Wählen Sie die richtige Antwort aus! Bei welcher Verwendung ist bei Nickelbasis-Superlegierungen der hohe Anteil der γ' Phase charakteristisch?

Verbrennungsmotoren wo während der Fertigung Schweißen verwendet wird bei Flugzeugturbinenschaufeln wo die Betriebstemperatur 1000oC übersteigt Verwendungen in der chemischen Industrie

4. Wählen Sie die richtige Antwort aus! Welche Kristallstruktur besitzt die so genannte γ''-Phase bei Nickelbasis-Superlegierungen?

flächenzentrierte kubische Struktur, wo sich die Nb Atome in den Flächenzentren befinden

flachenzentrierte kubische Struktur, wo sich die Nb Atome in den Eckpunkten der kubischen Zelle befinden

tetragonale Struktur, wo sich die Nb Atome in den Flächenzentren befinden tetragonale Struktur, wo sich die Nb Atome in den Eckpunkten der kubischen

Zelle befinden

5. Welche Auswirkungen haben die Legierungselemente der Nickelbasis-Superlegierungen auf die Eigenschaften der Legierung? Schreiben Sie die entsprechende Buchstabe (a-c) neben die aufgelisteten Elemente!

a) Kriechfestigkeit steigerndes Legierungselement b) Karbidbildendes Legierungselementc) Die Stabilität der Oberflächenoxidschicht verbesserndes Legierungselement

B (Bor): a, Zr (Zirconium): a, C (Kohle): b, Cr (Chrom): b, Y (Yttrium): c


6. Wählen Sie die richtige Antwort aus! Womit lässt sich die Kriechfestigkeit der Nickelbasis-Superlegierungen außerordentlich wirksam steigern? Mit einer speziellen Wärmebehandlung Durch das Legieren mit dem sehr teuren Rhenium Durch das Legieren mit dem sehr teuren Yttrium Durch das Legieren mit dem sehr teuren Yttrium und mit einer speziellen

Wärmebehandlung

7. Wählen Sie die richtige Antwort aus!Wie wird die Körnchengröße der rekristallisierenden γ'-Phase während der Wärmebehandlung der Nickelbasis-Superlegierungen reguliert? Mittels Legieren Mit dem Verringern der Kühlungsgeschwindigkeit Mi der richtigen Auswahl der Erhitzungsdauer Mit dem Schmelzen der angegebenen Menge der γ'-Phase während des Erhitzens

und der Heißhaltung

8. Wählen Sie die richtige Antwort aus!Mit welcher Methode wird das Legieren des bei hoher Temperatur festigkeitserhöhenden Yttriumoxids in Nickelbasis-Superlegierungen gelöst? Mittels Wärmebehandlung nach dem Gießen Mittels Präzisionsgießen und Wärmebehandlung Mit nanotechnischen Methoden Mittels mechanischem Legieren aus Metall- und Yttriumoxidpulvern

9. Wählen Sie die richtige Antwort aus!Mit welchem Verfahren wird die Struktur der Nickelbasis-Superlegierungen gereinigt? Zonenreinigung und Elektroschlackenreinigung Vakuumschmelzen und Elektroschlackenreinigung Zonenreinigung und Vakuumumschmelzen Vakuumschmelzen, Zonenreinigung und Elektroschlackenreinigung

10. Wählen Sie die richtige Antwort aus!Wie entfernen sich die Verunreinigungen bei dem Vakuumumschmelzen von Nickelbasis-Superlegierungen?

Durch Verdampfen Durch Verdampfen und Dekantieren Durch Dekantieren In Form von Schlacke an der Oberfläche des Schmelzflusses schwimmend

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