Systematische Untersuchungen zum Einfluss wichtiger Legierungselemente in Co-Basis und Co/Ni-Basis Superlegierungen: Thermophysikalische und mechanische Eigenschaften

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2018-04-18
Issue Year
2018
Authors
Zenk, Christopher H.
Editor
Publisher
FAU University Press
ISBN
978-3-96147-085-3
Abstract

First discovered in 2006, γ′-strengthened Co-base superalloys represent a very young class of structure materials. Due to their high melting point relative to the traditional base element Ni, they have the potential to increase the maximum service temperature of modern gas turbines and thus, the potential to improve energy efficiency. To approach commercial maturity, a detailed understanding of the alloying elements’ influence on the structure-property relationships is indispensable. Using a set of systematic model alloy series, the influence of key alloying elements on Co- and Co/Ni-base superalloys is examined in terms of precipitate fraction, phase stability and phase composition, transformation temperatures, lattice misfit and, ultimately, mechanical properties. One significant result is that Ni- and Co-base alloys can exhibit vastly different thermo-physical and mechanical properties despite having similar base elements and the same structural arrangement. The results of this work were utilized to inform the development of oxidation-resistant, multi-component Co-base superalloys with improved creep properties. The property profile of these alloys is promising for applications at intermediate temperatures, such as turbine wheels for stationary gas turbines and disks used in aircraft engines.

Abstract

Entdeckt erst im Jahr 2006, stellen γ′-gehärtete Co-Basis Superlegierungen eine relativ junge Klasse unter den Strukturmaterialien dar. Durch den höheren Schmelzpunkt von Co im Vergleich zum traditionell verwendeten Basiselement Ni bergen sie das Potential, die maximale Betriebstemperatur und damit die Energieeffizienz moderner Gasturbinen zu erhöhen. Um Co-Basis Superlegierungen der Einsatzreife näher zu bringen, ist ein detailliertes Verständnis des Einflusses einzelner Legierungselemente auf das Eigenschaftsprofil dieser Legierungen unerlässlich. Unter Verwendung von systematischen Modelllegierungsserien werden die Auswirkungen wichtiger Legierungselemente auf die Ausscheidungsanteile, Phasenstabilität und -zusammensetzungen, Umwandlungstemperaturen, Gitterfehlpassung sowie letztlich die mechanischen Eigenschaften von Co- und Co/Ni-Basis Superlegierungen untersucht. Unter anderem zeigt sich dabei, dass sich Ni-Basis und Co-Basis Superlegierungen in vielen Eigenschaften stark unterscheiden, obwohl sie den gleichen strukturellen Aufbau besitzen und die beiden Basiselemente hinsichtlich ihrer physikalischen Eigenschaften generell sehr ähnlich sind. Die anhand der Modellegierungsserien gewonnen Erkenntnisse konnten genutzt werden, um oxidationsbeständige, mehrkomponentige Co-Basis Superlegierungen mit verbesserten Kriecheigenschaften zu entwickeln. Das Eigenschaftsprofil der Legierungen ist vielversprechend für eine Anwendung in mittleren Temperaturbereichen, z.B. als Turbinenscheiben in stationären Gasturbinen oder Triebwerken.

Series
FAU Forschungen, Reihe B, Medizin, Naturwissenschaft, Technik
Series Nr.
19
Notes
Parallel erschienen als Druckausgabe bei FAU University Press, ISBN: 978-3-96147-084-6
Faculties & Collections
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