Mathematische Modellierung der Ausscheidung ... - OPUS-Datenbank

2 Grundlagen der einkristallinen Superlegierungen 4
2 Grundlagen der einkristallinen Superlegierungen
Im folgenden Kapitel werden die grundlegenden Eigenschaften der Nickelbasis-
Superlegierungen und die Herstellung durch einkristalline Erstarrung dargestellt.
2.1 Entwicklung von einkristallinen Superlegierungen mit Ruthenium
Technisch einkristalline bzw. stängelkristalline Werkstoffe haben eine deutlich höhere
Kriechfestigkeit als vergleichbare polykristalline Werkstoffe bei hohen Temperaturen. Dabei
macht man sich zunutze, dass in der Hauptbelastungsrichtung keine Korngrenzen vorkommen,
welche die Kriechbeständigkeit reduzieren. Außerdem ist so möglich, die Wärmedehnung
durch eine günstige Orientierung des in Einkristallen richtungsabhängigen
Elastizitätsmoduls zu minimieren. Es wurden mehrere Legierungsgenerationen entwickelt,
die speziell für die einkristalline Erstarrung optimiert sind. Tabelle 2.1 gibt einen Überblick
über wichtige Vertreter der ersten bis fünften Legierungsgeneration, welche eine Steigerung
der zulässigen Werkstofftemperatur um ca. 100 °C erlauben.
Tabelle 2.1: Übersicht über wichtige Vertreter der ersten bis fünften Generation der einkristallinen
Superlegierungen. Alle Angaben in wt-%. Außerdem ist die Temperatur θmax angegeben,
bei der Kriechversagen nach 1000 h und 137 MPa auftritt [Har03].
Legierung Al Co Cr Mo Nb Re Ru Ta Ti W Hf Ni θmax / °C
1. PWA 1480 5,0 5,0 10,0 - - - - 12,0 1,5 4,0 - bal. 1010
2. CMSX-4 5,6 9,0 6,5 0,6 - 3,0 - 6,5 1,0 6,0 0,1 bal. 1030
3. CMSX-10 5,7 3,0 2,0 0,4 0,1 6,0 - 8,0 0,2 5,0 0,03 bal. 1050
4. TMS-138 5,8 5,8 2,8 2,9 - 5,1 1,9 5,6 - 6,1 0,05 bal. 1080
5. TMS-162 5,8 5,8 2,9 3,9 - 4,9 6,0 5,6 - 5,8 0,09 bal. 1110
An der Tabelle lassen sich deutlich die Trends bei der Weiterentwicklung der einkristallinen
Legierungen hin zu höheren Festigkeiten ablesen. Legierungen der 1. Generation haben
kein Rhenium oder Ruthenium, in der 2. Generation werden 3 wt-% Rhenium eingesetzt
und in der 3. Generation ist der Re-Anteil auf 6 wt-% gesteigert. Dadurch erhöht sich
die Kriechbeständigkeit deutlich, gleichzeitig werden die Legierungen aber auch anfällig
für die Ausscheidung von spröden TCP-Phasen. Es ist bekannt, dass Ruthenium die Neigung
zur Sprödphasenbildung deutlich herabsetzt und ein leichter Mischkristallhärter ist
[Sat06, Neu10]. Daher werden in Einkristalllegierungen der 4. bzw. 5. Generation 3 bzw. 6
wt-% Ruthenium zugefügt [Har03]. Zur Reduzierung der TCP-Phasenanfälligkeit muss der
Gehalt sämtlicher TCP-Phasenbildner, also nicht nur der von Re, sondern auch der von Cr,
Mo und W aufeinander abgestimmt werden. Insbesondere der Cr-Anteil wurde erheblich