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Nickel-Superlegierungen

Die treibende Kraft für die Entwicklungen der Ni- Basissuperlegierungen kommt aus dem Gasturbinenbau für Flugzeuge und Kraftwerke. Um die Wirkungsgrade dieser Maschinen zu erhöhen, müssen die Verbrennungstemperaturen angehoben werden. Für diesen Einsatz müssen sie im Dauerbetrieb hohe Temperaturen bei gleichzeitig hoher mechanischer Belastung aushalten. Sie besitzen aber auch heute in einigen Bereichen der Warmarbeitswerkzeuge, z.B. bei Strangpressen von Schwermetallen, insbesondere bei Pressmatrizen, wo Arbeitstemperaturen bis zu 1000 °C erreicht werden können, einen festen Platz. Die handelsüblichen Ni-Superlegierungen zeigen gegenüber den traditionellen Warmarbeitsstählen deutliche technisch-wirtschaftliche Vorteile.

Die optimalen Eigenschaften werden jedoch nur bei richtigem Lösungsglühen und anschließendem Warmauslagern erreicht. Diesen Wärmebehandlungen kommt zur Erzielung der maximalen Härte und Festigkeit des Werkstoffs große Bedeutung zu.

Das ausgezeichnete Festigkeitsverhalten der Nickellegierungen wird von 5 wesentlichen Parametern beeinflusst:

  • Mischkristallhärtung
  • Ausscheidungshärtung
  • Karbidhärtung
  • Gefügestruktur
  • Spurenelemente.

Erst ein genau abgestimmtes Verhältnis dieser Parameter führt zu den für einen bestimmten Einsatz vorgesehenen Eigenschaften.

An der Mischkristallverfestigung sind vor allem die Elemente Mo, W, Cr, und Co beteiligt, die in den nickelreichen Mischkristall eingehen und durch Verzerrung des Atomgitters die Bewegung der Versetzungen behindern. Bei hohen Temperaturen oberhalb 0,6 TS sind die Warmfestigkeitseigenschaften, insbesondere das zeitabhängige Kriechen, überwiegend diffusionsbedingt. Für diesen Fall sind die diffusionsträgen Elemente Mo und W besonders zur Mischkristallhärtung geeignet, wobei Mo wegen des geringeren Atomgewichtes bevorzugt wird.

Das Zulegieren von Fe erfolgt aus rein wirtschaftlichen Überlegungen, um die Legierungen kostengünstiger zu gestalten. Dies führt allerdings zu einer Herabsetzung der Oxidationsbeständigkeit und zur Bildung der eigenschaftsmindernden σ-Phase. Eine erhebliche Steigerung der Kriechfestigkeit von Ni-Superlegierungen wird durch Ausscheidungshärtung erzielt. Durch die Zugabe der Elemente Ti, Al und Nb ist es möglich aus einem übersättigten Mischkristall und durch geeignete Glühbehandlung die fein verteilte intermetallische γ’-Phase Ni3(Al, Ti) kohärent auszuscheiden. Nb bildet oberhalb 4 Gew.-% die intermetallische γ’’-Phase Ni3Nb aus. Unterhalb dieser Grenze substituiert Nb das Al und Ti in der γ’-Phase. Die stärkste Behinderung der Versetzungsbewegung in einer Matrix mit fein verteilten Ausscheidungen liegt dann vor, wenn diese einen Durchmesser von 20-50 nm haben, /Decker72/. Infolge eines Kohlenstoffgehaltes von 0,05 - 0,2 Gew.-% kommt es bereits bei der Erstarrung, spätstens aber bei der Wärmebehandlung zur Bildung verschiedener Karbidtypen, wie MC, M6C und M23C6, die sich in Abhängigkeit von der Zusammensetzung ausbilden (Tabelle 1). Zur Stabilisierung der Korngrenzen sind kleine, globulare, nicht zusammenhängende Karbide geeignet. Dies sind vor allem primär ausgeschiedene Karbide vom Typ MC und M6C. Durch den hohen Cr-Gehalt der Ni-Superlegierungen ist die Bildung von M23C6-Karbiden unumgänglich. Außerdem neigen die MC- und M6C-Karbide bei einer Langzeitglühung zur Umwandlung in Karbide vom Typ M23C6. Dieses Karbid hat die Neigung zur Ausbildung zusammenhängender Korngrenzenausscheidungen und erhöht somit die Sprödbruchneigung. Als eines der korngrenzaktiven Elemente beugt Hafnium einem Sprödbruch dadurch vor, dass es frühzeitig Karbide bildet, die sehr stabil sind und fein verteilt im Gefüge vorliegen. Bor und Zirkonium segregieren wegen des zum Nickel stark differierenden Atomdurchmessers an den Korngrenzen, füllen dort Leerstellen auf und erschweren so die Diffusion anderer Elemente. Dadurch wird nicht nur das Korngleiten, sondern auch die Entstehung γ’-verarmter Korngrenzensäume sowie durchgehender Karbidfilme verhindert.

Für den Schutz gegen Hochtemperaturkorrosion sorgen Al und Cr mit der Bildung festhaftender Oxidschichten. Dabei überragt das Schutzvermögen durch Al2O3 das von Cr2O3. Bis ca. 1000 °C ist Cr2O3 unlöslich, oberhalb 1100 °C muss Al2O3 allein den Schutz übernehmen. In Abbildung. 1 sind die Verhältnisse der in Ni-Superlegierungen anzutreffenden Legierungselemente dargestellt.

Neben den drei Klassen der γ-, γ’-stabilisierenden und korngrenzaktiven Elemente sind die zwei Unterklassen der karbidbildenden und deckschichtbildenden Elemente zu unterscheiden. Hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften ist wichtig festzuhalten, dass nicht nur die im Korninnern und auf den Korngrenzen vorliegenden festigkeitssteigernden Mikrostrukturen, sondern diese, und dies vor allem bei hohen Temperaturen, auch von der Korngeometrie abhängig sind. Die Kriechfestigkeit wird durch Verformungsvorgänge an den Korngrenzen beeinflußt. Bei grobem Korn sind erheblich weniger Möglichkeiten für Gleitvorgänge als bei feinem Korn vorhanden. Durch gezielte Steigerung der Korngrößen kann vor allem bei höchsten Temperaturen eine wesentliche Erhöhung der Zeitstandfestigkeit erreicht werden.

 

Abbildung. 1: Metallurgische Effekte der Hauptelemente von Ni-Superlegierungen