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Lehrstuhl
Metallische Werkstoffe
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Turbine
Schnitt durch ein Fluggastriebwerk. Die hoch belasteten Lauf- und Leitschaufeln der Turbinenstufen werden aus gegossenen Hochtemperatur­legierungen hergestellt.

Innere Oxidation
Nickel-ODS-Legierung. Die innere Oxidation schreitet vom Probenrand in das Probeninnere voran, der helle Bereich im Probeninneren ist noch nicht oxidiert.

Ni-basis Superlegierung - Gefüge
Würflige und kohärente Ausscheidungs­teilchen in einer Matrix aus Nickelmischkristall (CMSX-4, lösungsgeglüht und ausgelagert). Der Anteil der verfestigenden Ausscheidungs­teilchen liegt bei etwa 70 Vol.%.

Pt-basis Superlegierung - Gefüge
Ein vergleichbares Gefüge wurde in einer Matrix aus Platin­mischkristall erzeugt (78,5Pt-12,5Al-3Cr-6Ni (At.%), lösungsgeglüht und in Luft abgekühlt); der Anteil der Ausscheidungs­teilchen liegt hier bei etwa 30 Vol.%.

Hochtemperaturlegierungen

Ansprechpartner

Dr.-Ing. Rainer Völkl

Projekte

Tätigkeitsfelder der Arbeitsgruppe

Reine Metalle sind für viele Anwendungsgebiete mit thermischer und mechanischer Belastung ungeeignet. Aus diesem Grund verschmilzt man verschiedene ausgewählte metallische Elemente miteinander. Die so entstandene Legierung vereint einige Eigenschaften der Legierungskomponenten, zeigt jedoch zum Teil auch vollkommen neue und erwünschte Charakteristika.
Hochtemperaturlegierungen werden in weiten Bereichen des Alltages eingesetzt, beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt. Hier finden zurzeit überwiegend feste und hochfeste Nickelbasislegierungen Anwendung. Korrosiv und thermisch hochbelastete Teile in der Glasindustrie und der Synthesechemie bestehen aus Platinbasislegierungen, wie z.B. Glasfaserziehdüsen und verschiedenste Katalysatoren.

In einem Fluggastriebwerk werden die hoch belasteten Lauf- und Leitschaufeln der Turbinenstufen aus gegossenen Hochtemperaturlegierungen hergestellt.
Die Arbeitsgruppe „Hochtemperaturlegierungen“ beschäftigt sich mit der Entwicklung, der Herstellung und der Untersuchung von hochtemperaturbeständigen Legierungen. So wird im Rahmen eines DFG-Projektes die Innere Oxidation in Nickellegierungen untersucht. Reines Nickelgranulat wird hierbei in einer Vakuum­induktionsschmelz­anlage oder einer Lichtbogen­schmelzanlage mit geringen Anteilen von sauerstoffaffinen Metallen verschmolzen. Anschließend werden die erschmolzenen Legierungen einer selektiven Oxidationsbehandlung unterzogen. Der Sauerstoffpartialdruck in der Wärmebehandlungs­apparatur kann eingestellt so werden, dass die sauerstoffaffinen Elemente Oxide bilden, während die Nickelmatrix metallisch bleibt. Somit wird die Bildung einer Deckschicht aus Nickeloxid an der Materialoberfläche vermieden, was eine raschere innere Oxidation ermöglicht. Die entstehenden etwa 100 nm großen und fein verteilten inneren Oxidteilchen sind bis weit über den Schmelzpunkt der umgebenden Nickelmatrix stabil und erschweren deren Verformung. Das Ergebnis ist eine sogenannte ODS-Legierung (Oxide Dispersion Strengthened) und gleichzeitig ein Werkstoff, der über einen großen Temperaturbereich bis zum Schmelzpunkt eine nahezu unverändert gute Festigkeit aufweist. Im Vergleich zu pulvermetallurgisch hergestellten ODS-Legierungen wird außerdem eine größere Duktilität erzielt. Bei einer Nickel-ODS-Legierung schreitet die innere Oxidation vom Probenrand in das Probeninnere voran, der Bereich im Probeninneren ist dabei noch nicht oxidiert.

Ein weiteres DFG-Projekt hat die Entwicklung von ausscheidungsverfestigten Platinbasissuperlegierungen zum Inhalt. Die Forschung an diesen Legierungen stützt sich auf umfangreiche Kenntnisse über die beispielsweise in Gas- und Dampfturbinen eingesetzten Nickelbasiswerkstoffe, sowie über bekannte und im Einsatz befindliche Platinbasislegierungen. Im Hinblick auf die Gefügezusammensetzung und die erreichbaren Festigkeiten sind die Nickelbasissuperlegierungen das Vorbild der Platinbasissuperlegierungen. Mit Hilfe geeigneter Wärmebehandlungen wird nun aus der Matrix (genannt γ), d.h. einem Platinmischkristall, die intermetallische γ' Phase (nahe Pt3Al) in würfliger Morphologie ausgeschieden. Diese fein verteilten Ausscheidungen behindern die Bewegung der Versetzungen und erschweren somit die makroskopische Verformung des Werkstoffs über einen weiten Temperaturbereich.
Die mit Nickelbasissuperlegierungen erzielbaren Dauereinsatztemperaturen liegen zurzeit bei etwa 1100°C. Bei höheren Temperaturen fällt die Festigkeit aufgrund der Auflösung der γ'-Teilchen rasch ab. Ziel unserer Arbeit ist es, einen Platinbasiswerkstoff zu entwickeln, der im Temperaturbereich bis 1300°C ähnlich gute Festigkeiten aufweist wie die Nickelbasissuperlegierungen bis 1100°C. Eine gute Voraussetzung hierfür ist die deutlich höhere Schmelztemperatur von Platin (1770°C) im Vergleich zu Nickel (1455°C). Außerdem besitzt Platin eine hervorragende Beständigkeit gegen korrosiven und oxidativen Angriff. Infolge der Beigabe von Aluminium bildet sich während der Wärmebehandlung in sauerstoffhaltiger Atmosphäre eine dichte und weiter schützende Deckschicht aus Aluminiumoxid.
Die zur Zeit einstellbaren Ausscheidungsanteile in Platinbasislegierungen liegen bei etwa 50 Vol.%. Durch die Entwicklung in Richtung höherer γ'-Volumenanteile erwarten wir eine Steigerung der Festigkeit, was den Einsatz dieser Werkstoffe unter höherer mechanischer Belastung ermöglicht, als die konventionellen mischkristallverfestigten und ODS-Platinlegierungen derzeit gestatten.

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