Mikrostruktur und Eigenschaften keramischer Formmassen ... - OPUS

Kurzfassung
1 KURZFASSUNG
MOTIVATION UND ZIELSETZUNG
Turbinenschaufeln finden ihren Einsatz heute in Industriegasturbinen für
Kombikraftwerke und Flugzeugtriebwerken /SET00/, /SIN94/. Durch gerichtete
Erstarrung können stängelförmige oder einkristalline Kornstrukturen erzeugt
werden. Solche Gefügestrukturen ermöglichen höhere Einsatztemperaturen der
Turbinenschaufeln. Damit werden höhere Leistungen oder längere Lebensdauern
erreicht und der Wirkungsgrad beträchtlich gesteigert /KRU98/. Der Bedarf nach
neuen komplexen Legierungen und größeren Bauteilen erfordert die gezielte
Anpassung der verwendeten keramischen Systeme an den Gießprozess. Zu
diesen keramischen Systemen zählen die Formschale und der Tiegel.
Die Stützschicht oder Back-up-schicht der keramische Formschale bestimmt die
Maßgenauigkeit der Bauteile und garantiert eine endkonturnahe Fertigung. Ziel
dieser Arbeit ist es, die Mikrostrukturcharakteristika der in dieser Arbeit
untersuchten SiO2-gebundenen Al2O3-Stützschicht herauszuarbeiten und ihre
technische Relevanz zu erörtern. Die Korrelation der mikroskopischen mit den
makroskopischen Eigenschaften und Erklärungsansätze für das mechanische
Verhalten der Formschale während des Abgusses werden diskutiert.
Ein weiteres Ziel dieser Arbeit ist es, das Werkstoffpotenzial von zementarmem
Spinellbeton als Tiegelmaterial aufzuzeigen. Die Lebensdauer der im Feinguss
eingesetzten Tiegel ist von wirtschaftlicher Bedeutung, da ihr Austausch
erheblichen zeitlichen und finanziellen Aufwand bedarf. Gefordert wird daher die
problemlose Wiederverwendbarkeit der Tiegel bis 1600 °C bei hohen Schüttgeschwindigkeiten
beim Abguss der Legierung mit gleichbleibender Qualität der
Bauteile. Neben dieser thermomechanischen Belastbarkeit soll die von der Atmosphäre
unabhängige Beständigkeit gegenüber den vergossenen Legierungen und
die wirtschaftliche Verwendung im Gießprozess aufgezeigt werden.
KONVENTIONELLE FORMSCHALE
Die Stützschicht (Back-up) der Formschale besteht aus 11-20 Einzelschichtmodulen.
In jedem Modul wird ein Schlicker (Tauchmasse) aus SiO2-gebundenem
feinem Al2O3-Füllermaterial mit einer Besandung aus grobem Al2O3 kombiniert.
Die Besandung im Fluidbett erlaubt den monolithischen Aufbau des Back-up-
Materials ohne Schichtstruktur (Bild 1.1). Eingebrachte keramische Komponenten
des zu untersuchenden Systems sind Al2O3, SiO2 und geringe Mengen Na2O
(Tabelle 1.1). Na2O entstammt dem als Stabilisator zugefügten Silika-Sol oder aus
den im Füllermaterial enthaltenen Anteil an �-Al2O3 (11Al2O3�Na2O).
Tabelle 1.1: Mittlere Zusammensetzung der keramischen Back-up-Formschalenproben
(wichtigste Oxidgehalte) in Gew.-% nach Auslagerung (1000-1500 °C / 0-18 h).
Mittlere Zusammensetzung der Oxide im Back-up-Material (Gew.-%)
Al2O3 SiO2 Na2O Fe2O3 CaO MgO ZrO2
94 5,5 0,3 0,02 0,01 0,07 0,03
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