PDF - JuSER - Forschungszentrum Jülich

Literaturübersicht
2.2 Aufbau und Mikrostruktur von Nickelbasis- und Nickel-Eisen-Basis-
Superlegierungen
Nickelbasis-Superlegierungen bestehen im wesentlichen aus zwei Hauptphasen, der kubisch
flächenzentrierten γ-Phase als Matrix und der ebenfalls kubisch flächenzentrierten L1 2
geordneten γ’-Phase. Ausnahme sind mischkristallgehärtete Nickelbasislegierungen [2.2.1].
Das Gefüge von Ni-Fe-Legierungen ist komplexer. Abhängig von der Zusammensetzung und
Wärmebehandlung enthält es außer der γ- und γ’-Phase noch γ’’-, η- und δ-Phase [2.2.2].
2.2.1 Matrix: Die γ-Phase
Die γ-Phase ist der Mischkristall, der neben dem Basiselement (Ni) wesentliche Zusätze von
Co, Fe, Cr, Mo, W enthalten kann. Die Legierungselemente sind in der Matrix gelöst und
verfestigen den Mischkristall durch deren „Atomgrößen-Fehlpassung“ gegenüber dem Nickel
und verändern zudem die Stapelfehlerenergie des Systems (besonders Cr und Co), was die
Quergleitung von Versetzungen beeinflusst [2.2.3]. Die chemische Zusammensetzung
bestimmt nicht nur die mechanischen Eigenschaften, sondern auch die Korrosions- und
Oxidations-Beständigkeit. Von den Elementen (Al, Ti, Nb, Ta, V) können nur begrenzte
Volumenanteile in dieser γ-Matrix gelöst werden. Neudings wird auch mit Elementen wie
Re, Ru und Ir die Matrix legiert.
2.2.2 Ausscheidung zur Verfestigung: Die γ’-Phase
Die größte Festigkeitssteigerung wird durch die
gezielte Ausscheidung einer zweiten Phase in
der γ-Matrix erreicht. Durch Zulegierung der
Elemente Al und Ti bildet sich im Nickel-
Mischkristall die kohärente (nahezu gleicher
Gitterparameter a γ ~a γ’ ) intermetallische
γ’-Phase. Sie kristallisiert im L1 2 -Gittertyp mit
der theoretischen Zusammensetzung Ni 3 Al, d. h.
die Ni-Atome besetzen die Flächenmitten und
die Al-Atome die Ecken einer kubisch
flächenzentrierten Elementarzelle.
Ni
Al
Abbildung 2.4: Kristallstruktur von
γ’-Phase
Die zulegierten Elemente werden in drei Klassen eingeteilt, und zwar in solche, die die
Ni-Atome, die Al-Atome oder beide Atomsorten substituieren können. Durch Substitution
von Al wird die γ’-Phase stabilisiert. Man bezeichnet die Al-Substituenten (Ti, Nb, Ta, V,
Mn und Si) deshalb auch als γ’-Bildner. Eine andere Gruppe sind die Elemente (wie z.B. Co
und Cu), die die Ni-Atome substituieren konnen. Fe, Cr, W und Mo können die beiden
Elemente substituieren und zählen zur dritten Gruppe.
Die Größe des Misfits (Abweichung der Gitterparameter der γ-und γ’Phase) ist von der
Zusammensetzung der γ- und γ’-Phase abhängig. Bei niedrigen bis mittleren Temperaturen
bewirken hohe Kohärenzspannungen eine hohe Festigkeit und Härte, bei hohen Temperaturen
ist ein geringerer Misfit günstiger. Die Form der γ’-Ausscheidungen hängt vom Misfit
zwischen γ-Matrix und γ’-Phase ab. Runde Teilchen haben einen Misfit nahe 0 während
kubische Teilchen einen höchsten Misfit aufweisen. Es bleibt anzumerken, dass bei
Ni-Fe-Legierungen das Titan und nicht das Aluminium das wichtigste Element für die
γ’-Ausscheidung ist [2.2.4, 2.2.5, 2.2.6].
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