Bedeutung der Mischkristallhärter für die Kriechbeständigkeit Re-freier Nickelbasis-Einkristall-Legierungen

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2022-05-09
Issue Year
2022
Authors
Ritter, Nils Christian
Editor
Abstract

Nickel-based superalloys are a class of high temperature material usally used for gasturbines in stationary power generation and in aeroplane engines. They are cha-racterized by a multiphase microstructure, various different alloying elements and balanced properties. With addition of the element Re in the early 1980s the creep resistance was strongly improved. Based on this effect the alloy development is named after the Re content ever since. The main disadvantage of Re mainly is its tendency to form detrimental TCP phases, which have brittle crystal structures and should be avoided as well as an unpleaseant availability of Re at the resource mar-ket. Therefore the reduction of Re content in alloys while conserving its advantage regarding creep performance is a main issue in research and industry. The high temperature creep resistance of single crystal nickel-based superalloys is determined by precipitation hardening as well as solid solution strengthening. At high temperatures and low stress dislocation motion is mainly restricted to the ductile matrix phase. The strength of matrix phase can be improved by solid solution strengthener like Mo, W, Re and Ru. Based on a polycrystalline alloy system this thesis shows that the alloy content of solid solution strengthener Mo, W and Re in matrix phase can be increased significa-ntly above their nominal content. The partitioning behaviour of alloying elements is caused by their element-specific bonding energy for each phase as well as the spe-cific atom-position. For most elements except Co and Ru the crystal lattice of Al in Ni3Al in γ‘-phase energetically ist he most favourable, in the order Ta > Nb > Ti > W > Mo > Re > Cr. As only 25 at% of atoms can be placed at this position and by presenting an excess supply of alloying elements solid solution strenghtener can be pushed in matrix phase. By using selected alloying elements the amount of solid so-lution strengthener like Mo and Re can access 2 times the level of their nominal con-tent in matrix phase. In case of constant precipitation content the weighted amount of solid solution strenghtener in matrix phase determines the creep resistance. This was proven nu-merically and experimentally by 9 single crystal alloys in this thesis als well as by lite-rature data. The effect of precipitation hardening on the other hand is generally much more dominant compared to solid solution strengthening shown by ERBO/34. The main reason is the more narrow matrix channels and therefore higher critical Orowan stress to move a dislocation through the matrix. Numerical methods for alloy development (e. G. MultOPT), property description (e. G. CALPHAD) as well as material processing (e. G. HeatOPT) have reached a suffi-ciant reliability for decreasing time and cost for material design and qualifiying pro-cess. Normal „trial and error“ methods are quite time consuming and often failing due to too many interactions and variables. By this thesis the calculation for density was improved using a more physical basis. Still challenging are the phase instability calcu-lations regarding TCP’s as well as oxidation of highly alloyed material and therefore reliable models for these properties are still missing. It was shown, that the element Re can be replaced by other alloying elements and alloys still achieving the extraor-dinary creeps resistivity of Re doped alloys. Nevertheless most improvement for one property causes a disadvantage for another property. ERBO/15 for example shows quite good creep resistance, low price and low density compared to ERBO/1 (CMSX-4) whereas the tendency for particle coarsening as well as oxidation re-sistance is quite poor.

Abstract

Nickelbasissuperlegierungen werden als Hochtemperaturwerkstoffe mit Schwerpunkt im Bereich der stationären Gasturbinen zur Stromerzeugung und in Triebwerken von Flugzeugen eingesetzt. Wesentliche Merkmale sind eine häufig mehrphasige Mikro-struktur, zahlreich verwendete Legierungselemente und ausgewogene Eigenschaf-ten. Zur Steigerung der Kriechbeständigkeit wird seit den 80er Jahren das Legie-rungselement Re hinzugegeben. Es steigert die Kriechbeständigkeit der Legierungen so deutlich, dass die weitergehende Legierungsentwicklung sich in ihrem Bezeich-nungssystem an dem Re-Gehalt orientiert. Nachteilig am Legieren mit Re ist neben der ausgeprägten Neigung zur Bildung von Sprödphasen (TCPs) vor allem die schlechte Verfügbarkeit von Re am Markt. Deshalb gibt es von Seiten der Wissen-schaft und der Industrie das Bestreben, den Re-Gehalt in den Legierungen zu redu-zieren oder auch vollständig auf Re zu verzichten ohne aber auf die positiven Aspek-te von Re (hohe Kriechbeständigkeit) zu verzichten. Die Hochtemperaturkriechfestigkeit einkristalliner Nickelbasissuperlegierungen wird durch die Ausscheidungshärtung und die Substitutionsmischkristallhärtung bestimmt. Bei hohen Temperaturen und geringen Spannungen ist die Versetzungsbewegung weitgehend auf die duktilere Matrix begrenzt, deren Festigkeit durch die Mischkris-tallhärter Mo, W, Re und Ru gesteigert werden kann. Untersuchungen dieser Arbeit an gleichachsigen, polykristallinen Legierungen haben gezeigt, dass Mo, W und Re durch die Zugabe weiterer Legierungselemente gezielt über ihren nominellen Gehalt in der Matrix angereichert werden können. Ru bevor-zugt als einziges der 4 Elemente grundsätzlich die Matrix. Das Verteilungsverhalten ist eine Folge unterschiedlicher Bindungsenergie in den Phasen und im Falle der γ‘-Ausscheidungsphase auch der Atomposition im Kristallgitter. Die Untersuchungen konnten zeigen, dass bis auf Co und Ru alle Legierungselemente die Al-Position der Ni3Al-Phase energetisch in der Reinfolge Ta > Nb > Ti > W > Mo > Re > Cr bevorzu-gen. Da jedoch nur 25 at% an Gitterplätzen vorhanden sind, kommt es bei einem Überangebot an Legierungselementen zu einer Verdrängung in die Matrixphase. In der Folge können durch gezieltes Legieren die wichtigen aber schweren Mischkris-tallhärter Mo, W und Re in der Matrix angereichert werden, wobei Mo und Re in den untersuchten Legierungen dabei das Zweifache der nominellen Konzentration er-reichten. Bei gleichbleibendem Ausscheidungsphasenanteil bestimmt der gewichtete Mat-rixmischkristallhärteranteil die erreichbare Kriechbeständigkeit. Das konnte anhand der 9 untersuchten Einkristalllegierungen und weiterer Literaturdaten experimentell und numerisch nachgewiesen werden. Die gezielt mit höherem Ausscheidungspha-senanteil ausgestattete Legierung ERBO/34 zeigt jedoch, dass der Effekt der Mat-rixmischkristallhärtung gering ist im Vergleich zum Einfluss der Ausscheidungshär-tung. Ein steigender Phasenanteil bedeutet engere Matrixkanäle, weshalb die aufzu-bringende kritische Orowanspannung zur Bewegung einer Versetzung ansteigt. Numerische Methoden zur Legierungsentwicklung (z. B. MultOpt), Eigenschaftsbe-schreibung (z. B. CALPHAD) und Materialverarbeitung (z. B. HeatOpt) haben mitt-lerweile eine ausreichende Genauigkeit erreicht, um Dauer und Aufwand bei der praktischen Materialentwicklung und –Qualifizierung einzusparen und diese helfen zudem beim Verständnis der komplexen Abhängigkeiten und Wechselwirkungen. Das numerische Modell zur Beschreibung der Dichte konnte auf eine allgemeinere, stärker physikalisch basierte Grundlage gestellt werden, wobei für Eigenschaften wie die Phaseninstabilität (TCP-Phasenbildung) sowie die Oxidationsbeständigkeit ver-lässliche Eigenschaftsmodelle fehlen. Die Entwicklung Re-freier Legierungen wie ERBO/15 und ERBO/34 mit Kriecheigenschaften auf oder knapp unterhalb dem Ni-veau der Re-haltigen Legierungen ERBO/1 (CMSX-4) zeigt, dass durch gezielte Ei-genschaftsoptimierung weiteres Potential zur Legierungsentwicklung besteht. Die Entwicklung von ERBO/15 zeigt aber auch, dass eine Verbesserung von einigen Ei-genschaften (Dichte, Preis) häufig mit einer Verschlechterung von anderen Eigen-schaften (Vergröberungsneigung, Oxidationsbeständigkeit) einhergeht.

DOI
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