Entwicklung neuer oxidischer Wärme - Forschungszentrum Jülich

22 4.1 Substratwerkstoffe4. Konventionelle Wärmedämmschichtsysteme4.1 Substratwerkstoffe4.1.1 ÜberblickIn modernen Gasturbinen werden primär Ni oder Co-Basislegierungen in den thermo-mechanischhoch belasteten Komponenten wie den Leit- und Laufschaufeln sowie den Segmente derBrennkammer eingesetzt [45]. In den Brennkammersegmenten kommt z.B. häufig die Co-BasisLegierung Haynes 188 mit hohem Chromgehalt (22%) zum Einsatz, die über ausgezeichneteErmüdungsfestigkeit und Heißgas-Korrosionbeständigkeit verfügt. So wird sie z.B. inBrennkammerelementen der F100-Flugturbine eingesetzt [46].Für die Leit- und Laufschaufeln werden meist Nickelbasislegierungen verwendet. Diese Legierungenmüssen eine Reihe von Anforderungen erfüllen wie hohe Festigkeit, hohe Kriechfestigkeit,ausreichende Bruchzähigkeit, genügende Festigkeiten unter Ermüdungsbelastung (low cycle und highcycle fatigue (LCF und HCF)) sowie ausreichende Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit [47]. GuteKorrosionseigenschaften erreicht man über eine Erhöhung des Cr-Gehaltes, jedoch führt dies zu einerAbnahme der Kriechfestigkeit [47]. Hohe Festigkeiten werden in diesen Legierungen durch einenhohen Anteil (bis etwa 70 vol. % [48]) einer intermetallischen kubischen γ´-Phase (L1 2 -Symmetrie,hauptsächlich (Ni, Co) 3 (Al,Ta)) erreicht, die in Form von Würfeln mit Kantenlängen typischerweise umdie 0.5 µm in einer kubisch-flächenzentrierten γ -Matrix homogen verteilt sind [49]. DieVersetzungsbewegung ist im wesentlichen auf die engen γ -Matrixkanäle zwischen den γ´-Ausscheidungen beschränkt oder ist mit einem Schneiden der γ´-Ausscheidungen verbunden.Letzteres ist aber aufgrund der Bildung von Antiphasengrenzen sehr erschwert [50].Ein weitere Steigerung der (Kriech-) Festigkeit konnte über die Entwicklung neuer Gießtechnikenerzielt werden. Durch die gerichtete Erstarrung ließ sich ein langgestrecktes Gefüge mit geringenKriechraten in Richtung der Kornausrichtung einstellen, meist die [001]-Richtung [51]. EineWeiterentwicklung stellt die Herstellung von Einkristallschaufeln dar, bei denen das gesamteGussstück aus einem Korn besteht.Durch die Einführung der gerichtet erstarrten und der einkristallinen Werkstoffe konnte jeweils eineTemperaturerhöhung von ca. 25 K bei gleicher Kriechfestigkeit erzielt werden [47]. Eine weitereErhöhung der Kriechfestigkeit um etwa 25 K ermöglichte in den Einkristalllegierungen dersogenannten 2. Generation die Zulegierung von 3 Gew. % Re, das durch bevorzugte Segregation inder γ -Matrix dort durch Mischkristallhärtung eine Festigkeitserhöhung ermöglicht (z.B. CMSX 4, [47]).Bei der 3. Generation wurden die Re-Zugaben auf etwa 6 Gew.-% erhöht, was noch einmal eineErhöhung der Festigkeit zur Folge hatte. Die hohen Re-Gehalte bringen jedoch auch zunehmendeProbleme bei der Herstellung mit sich, da sich Rhenium bevorzugt in den dendritischen Bereichenausscheidet und eine aufwändige Homogenisierungs-Wärmebehandlung zum Konzentrationsausgleichin der Legierung anzuschließen ist.Abbildung 8 zeigt die Gefüge einer polykristallinen (IN738LC) und einer Einkristalllegierung (CMSX4)nach einer Diffusionsglühung bei 1080°C für 4 Stunden und einer Ausscheidungsglühung bei 870°C