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Forschergruppe 727: Beyond Ni-Base Superalloys – Neue Werkstoffe erhöhen den Wirkungsgrad

Mit metallischen Werkstoffen, die Oberflächentemperaturen von über 1200 °C bei hoher mechanischer Belastung in der Luftatmosphäre widerstehen können, ließen sich Leistung und Wirkungsgrad von Kraftwerksturbinen erheblich steigern. Eine von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) in den Jahren 2006 bis 2013 geförderte Forschergruppe aus Karlsruhe, Darmstadt, Bayreuth, Bochum, Braunschweig und Siegen suchte mit metallphysikalischen Prinzipien nach Legierungen, die das Anforderungsprofil aus guter Beständigkeit gegen Oxidation, hinreichender Zähigkeit und Verformbarkeit sowie hohem Kriechwiderstand erfüllen. Anspruch und Vision der Forschergruppe war und ist es daher, an den nachfolgend genannten zwei Legierungssystemen, das Potential für eine Hochtemperaturanwendung zu evaluieren und die Grundlagen für eine technische Umsetzung zu schaffen. Die Aktivitäten der Forscher konzentrierten sich dabei auf zwei unterschiedliche mehrphasige Legierungssysteme, deren Schmelzpunkte mehr als 250 °C über denen der heute eingesetzten Nickelbasis-Superlegierungen liegen. 

Als wesentliche Erkenntnisse, die sich aus den gemeinsamen Arbeiten ergaben, können diese genannt werden:

  1. System Mo-Si-B: durch den im Vergleich zu Nickelbasislegierungen wesentlich höheren Schmelzpunkt des Mo-Basis-Systems und der damit einhergehenden geringeren homologen Temperaturen ist dessen Kriechwiderstand deutlich geringer. Die Oxidationsbeständigkeit an Luft konnte im Temperaturbereich zwischen 900 und 1300°C nahezu auf das Niveau von Superlegierungen gehoben werden. Das aufgrund der pulvermetallurgischen Herstellung entstandene feinkörnige Gefüge hat dabei einen positiven Einfluss auf die Borosilikatglasbildung an der Oberfläche des Werkstoffs. Weiterführende Arbeiten fokussieren auf die Aufklärung der Ursache sowie die weitere Verringerung der so genannten spröd-duktil Übergangstemperatur. Jüngste Erkenntnisse zeigen, dass Makrolegieren mit Titan die Dichte des Verbundwerkstoffs in vorteilhafter Weise unter die von Nickelbasissuperlegierungen drücken kann, bei zum Basissystem Mo-Si-B zumindest vergleichbaren Eigenschaften.

  2. System Co-Re-Cr: Das Legierungssystem Co-Re zeichnet sich durch lückenlose Mischbarkeit und einer mit dem Re-Gehalt kontinuierlich ansteigenden Schmelztemperatur aus. Dies war der Ausgangspunkt für die Entwicklung neuer Hochtemperaturwerkstoffe auf Co-Re-Basis. Chrom als weiteres Legierungselement übernimmt eine doppelte Funktion. Einerseits sorgt es für die erforderliche Oxidationsbeständigkeit, allerdings nur, wenn es mit geringen Mengen an Silizium kombiniert wird. Andererseits führt es zur Bildung der s-Phase, die, anders als bei den Ni-Basis Superlegierungen, als härtende Phase genutzt werden kann. Als weitere härtende Phase konnte Tantalkarbid (TaC) identifiziert werden, das sich in Form einiger zehn Nanometer großer Teilchen bildet und, wie in-situ Neutronenbeugungsexperimente zeigten, auch oberhalb 1200°C sehr stabil ist. Anfänglich zeigten derartige Co-Re-Cr-Ta-C Legierungen sprödes Verhalten bei Raumtemperatur in Folge interkristallinen Spaltbruchs, was durch Zugabe geringer Mengen an Bor gelöst werden konnte. Die aktuelle Forschung konzentriert sich nun darauf, die Ausscheidungskinetik der Tantalkarbide als besonders wichtige Verstärkungsphase genau zu erforschen, das Problem schnellen Diffusionskriechens zu lösen sowie weitere Legierungselemente zu erforschen, die im Zusammenhang mit der Oxidationsbeständigkeit und der Stabilität der s-Phase von besonderer Bedeutung sein könnten.

 

Sprecher der Forschergruppe:
Professor Dr.-Ing. Martin Heilmaier
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Institut für Angewandte Materialien -
Werkstoffkunde (IAM-WK)
Engelbert-Arnold-Straße 4
76131 Karlsruhe

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