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Intermetallische Legierungen

Intermetallische Legierungen werden durch besondere Bindungseigenschaften zwischen mindestens zwei Atomsorten in einem bestimmten stöchiometrischen Verhältnis gebildet; bei binären Phasen also mit allgemeiner Bezeichnung AmBn. Zum Aufbau der Reinmetalle und Mischkristalle einerseits und dem der Keramiken andererseits grenzen sich die intermetallischen Legierungen dadurch ab, dass ihr Bindungscharakter weder rein metallisch noch vollständig kovalent oder ionisch ist. Ein gewisser metallischer Bindungsanteil ist aber stets vorhanden.

Die Einsatzgrenze konventioneller Fe-, Co- und Ni-Basiswerkstoffe liegt bei rund 1100 °C, bei sehr niedriger mechanischer Belastung auch noch leicht darüber. Der Nachteil keramischer Werkstoffe liegt in ihrer geringen Zähigkeit und Fehlertoleranz. Diese Aspekte haben dazu geführt, Werkstoffe mit einer intermetallischen Matrix zu entwickeln. Zwar bestehen hochfeste Ni-Legierungen überwiegend aus der intermetallischen Phase γ’-Ni3Al, die Kriechverformung bei niedrigen Spannungen spielt sich jedoch in dem weicheren, zusammenhängenden γ’-Mischkristallgerüst ab. Bei einer intermetallischen Grundmasse sind dagegen die Festigkeit und Verformung innerhalb dieser Phase maßgeblich für die mechanischen Eigenschaften. Die intermetallischen Legierungen zielen darauf ab, die Temperatureinsatzgrenze gegenüber den konventionellen Superlegierungen bei ausreichender Korrosionsbeständigkeit zu erhöhen. Die Zähigkeit und Fehlertoleranz sollen ausreichen, um Bauteile mit vertretbarem Aufwand herstellen und sicher betreiben zu können. Diese sollen die Lücke zwischen den klassischen Hochtemperaturlegierungen und den Keramiken schließen.

Intermetallische Phasen zeichnen sich durch eine starke Bindung zwischen den ungleichnamigen Atomsorten aus. Bei den Überstrukturphasen führt die bevorzugte A-B-Bindung im Idealfall zu einer maximal möglichen Anzahl ungleichnamiger Nachbarn, Fehlordnung genannt. Je nach Phasentyp können sowohl kovalente als auch ionische Bindungsanteile auftreten; es verbleibt aber immer ein gewisser metallischer Bindungscharakter. Aus diesen strukturellen Merkmalen leiten sich hohe E-Module und hohe Peierls-Spannungen ab, die Festigkeiten sind also sehr hoch. Aufgrund des verbleibenden metallischen Bindungsanteils ist zumindest eine geringere Sprödigkeit als bei den Keramiken zu erwarten.

Um intermetallische Phasen einzusetzen, müssen diese durch Fremdelemente mischkristallgehärtet und durch zweite Phasen teilchengehärtet werden. Die Verformungs- und Zähigkeitskennwerte liegen zumindest bei tiefen Temperaturen eher in der Gegend von den Keramiken. Der Sprödbruchbereich kann sich bis etwa 0,5 Ts erstrecken.

Die handelsüblichen intermetallischen Legierungen sind die Triballoy‘s, die nach Herstellerangaben „eine herausragende Beständigkeit gegen abrasiven und adhäsiven Verschleiß sowie Korrosion und dies auch bei hohen Temperaturen besitzen“, /Delo99/. Sie bestehen aus einer harten, intermetallischen (Laves-) Phase, die in einer weicheren Matrix dispergiert ist. Die harte Laves-Phase, die die Triballoys verstärkt, ist bis zu 900 °C stabil. Diese Laves-Phasen haben folgende Eigenschaften:

  • Zusammensetzungsverhältnis AB2
  • sehr hohe Packungsdichte der Atome; maximale Volumenfüllung von 71% bei einem Atomradienverhältnis von rA : rB = √3/2 = 1,225; tatsächliche Schwankungsbreite: 1,05 - 1,68; Laves-Phasen gehören zu den TCP-Phasen (Topologically Closed Packed)
  • kubische oder hexagonale Gitterstruktur
  • vorwiegend metallische Bindung.

Die intermetallische Co-Basislegierung Triballoy 400 kombiniert exzellente Verschleißbeständigkeit mit einer guten Korrosionsbeständigkeit. Die intermetallische Ni-Basislegierung Triballoy 700 enthält einen höheren Cr-Anteil als Triballoy 400 für verbesserte Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit. Die intermetallische Co-Basislegierung Triballoy 800 hat ebenfalls einen höheren Cr-Anteil als T 400, ist härter und hat einen besseren Verschleißwiderstand als T 400 und T 700.