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KURZFASSUNG Untersuchungen der Strukturstabilität von Ni-(Fe)-Basislegierungen für Rotorwellen in Dampfturbinen mit Arbeitstemperaturen über 700 °C von Tomáš Seliga Die angestrebte Erhöhung des Wirkungsgrades moderner Kraftwerksanlagen mit Dampfturbinen setzt eine Erhöhung der Dampftemperaturen auf 700 bis 720 °C voraus. Für wesentliche Bauteile wie Turbinenrotoren und –scheiben ergeben sich daraus erhöhte Anforderungen an die Warmfestigkeit, die von den derzeitig eingesetzten Stählen nicht mehr erfüllt werden können. Als neue Werkstoffe für thermisch-mechanisch hochbeanspruchte Bauteile kommen hier Ni-Basis-Schmiedewerkstoffe in Betracht, wobei deren Herstellbarkeit, Strukturstabilität und thermo-mechanischen Eigenschaften für den Bau und Betrieb von Dampfturbinen bei Betriebstemperaturen von 700 °C geeignet sein müssen. Mit Blick auf die erforderliche Kriech- und Kriechrissbeständigkeit geeigneter Kandidaten wurden im Rahmen eines DFG-Forschungsprojektes zunächst der Ni-Basis- Schmiedewerkstoff Waspaloy und eine Ni-Fe-Basislegierung ausgewählt, die unterschiedliche Verfestigungsmechanismen aufwiesen. Waspaloy ist ein γ'-gehärteter Werkstoff mit geringen Anteilen von Carbiden an den Korngrenzen. Inconel 706 ist ein teilchengehärteter Werkstoff mit einer sehr komplexen Ausscheidungsstruktur, die sich aus Carbiden, γ'- und γ''-Teilchen sowie der η-Phase zusammensetzt. Die Kandidatwerkstoffe wurden hinsichtlich ihrer Umschmelzbarkeit und Schmiedbarkeit, ihrer Langzeit- Strukturstabilität und ihrer Kriech- und Kriechrisswachstumseigenschaften untersucht und modelliert. Die Erkenntnisse über die Mikrostruktur-Langzeitstabilität der ausgewählten Werkstoffe und deren Umschmelzbarkeit, Schmiedbarkeit und mechanischen Eigenschaften haben zu zwei Werkstoffmodifikationen geführt, die von Waspaloy und von Inconel 706 abgeleitet wurden und die Bezeichnungen DT 750 und DT 706 tragen. Die Modifikation des Waspaloy zu DT 750 diente dabei mehr der besseren Umschmelzbarkeit (Vermeidung der Freckle- Bildung). Eine Verbesserung der Langzeitstabilität der Mikrostruktur war nicht erforderlich, durch eine geänderte Wärmebehandlung wurde eine homogene, monomodale γ’-Teilchenverteilung erreicht. Die Modifikation von Inconel 706 zu DT 706 hingegen diente der Stabilisierung der γ’-Phase und Reduzierung der γ’’-Phase, ohne die zellular an den Korngrenzen ausgeschiedene η-Phase zu unterdrücken. Diese Arbeit präsentiert die Untersuchungsergebnisse zur strukturellen Langzeitstabilität der genannten Werkstoffe und ihrer Modifikationen. An Hand metallographischer und elektronenmikroskopischer Strukturanalysen werden die Einflüsse von Wärmebehandlungen und thermischen Auslagerungen auf die Struktur dargestellt und die Konsequenzen für das mechanische Verhalten erörtert.
Danksagung Ich möchte mich bei Prof. Dr. F. Schubert und Prof. L. Singheiser für die gute Unterstützung und die Möglichkeit bedanken, diese Arbeit zu erstellen. Besonders möchte ich Herrn Dr. H. J. Penkalla für die wissenschaftliche Begleitung der Arbeit und die Diskussionen danken. Besonderer Dank gilt der guten Zusammenarbeit im Rahmen des DT-5 Projektes: „Herstellungs- und Lebensdauermodelle für den Einsatz von Ni-Basis-Werkstoffen in Dampfturbinen oberhalb von 700°C“ und der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) für die finanzielle Unterstützung. Ich möchte den Herren Prof. Ing. J. Zrník CSc. und Dr. P. Strunz für die Ermöglichung der Neutronenkleinwinkelstreuung danken. Für die intensive Zusammenarbeit gilt mein Dank D. Esser und G. Gutzeit. Allen Angehörigen des Instituts für Werkstoffe und Verfahren der Energietechnik IWV-2 sei für ihre Hilfsbereitschaft herzlich gedankt. Mein Dank gilt auch meiner Familie und meiner Verlobten Lenka für die Unterstützung und ihr Verständnis während der Anfertigung dieser Arbeit.
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Eine Steigerung des Wirkungsgrades
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