Untersuchung zum Einfluss des Vorzeichens der g/g'-Gitterfehlpassung auf das Kriechverhalten von einkristallinen Superlegierungen mit g/g'-Mikrostruktur

• Antragsteller: Dr. Gert Nolze; Professor Dr. Walter Reimers
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 388933555

Die g/g'-Fehlpassung ist ein wichtiger Strukturparameter von Ni- und Co-Basis-Superlegierungen, da er sowohl für die Ausscheidungshärtung als auch für die thermische Stabilität der g/g'-Mikrostruktur maßgeblich ist. In kommerziellen Ni-Basis-Superlegierungen ist die Fehlpassung bei Betriebstemperatur negativ, in den neuen Co- Legierungen hingegen positiv. Das ist der Anlass, sich erneut mit der Frage zu beschäftigen, ob negative oder positive Fehlpassung für die mechanischen Eigenschaften von Superlegierungen besser ist. Die experimentelle und theoretische Klärung dieser Frage ist Thema des vorliegenden Antrags. Zunächst wird der Einfluss des Vorzeichens der Fehlpassung auf das Kriechverhalten von einkristallinen Superlegierungen mit g/g'-Mikrostruktur untersucht. Hierzu werden Ni-Basis-Superlegierungen verwendet,da sich bei ihnen die Elemente stark unterschiedlich in den beiden Phasen anreichern, sodass durch Veränderung der Zusammensetzung eine Variation der Fehlpassung erreicht werden kann. Zudem existieren für Ni-Basis-Superlegierungen sehr viele Messdaten, die für die Modellierung von Fehlpassung und Kriechen benötigt werden. Zum Vergleich werden drei Ni-Basis- Superlegierungen gegossen und zwar mit negativer, keiner und positiver Fehlpassung. Dazu wird ein eigenes Modell verwendet, welches die Fehlpassung in Abhängigkeit von Zusammensetzung und Temperatur berechnet. Die Zusammensetzung wird so gewählt, dass sich die erwünschte Fehlpassung bei einer typischen Einsatztemperatur, nämlich 1000°C, einstellt. Die Fehlpassung wird verändert über das Cr/Ni-Verhältnis, wobei die Konzentrationen der anderen Elemente konstant gehalten werden. Die Elementpaarung Cr/Ni wird gewählt, da sie starken Einfluss auf die Fehlpassung hat aber nur geringen auf den g'-Volumenanteil und die Kriechfestigkeit von g und g', wie in unseren Vorarbeiten gezeigt wurden und aus der Literatur folgt. Somit können also Fehlpassung-Effekte von anderen Effekten der Legierungszusammensetzung separiert werden. Das Vorzeichen der Fehlpassung beeinflusst das Kriechen auf zwei unterschiedliche Weisen: zum einem dadurch, dass die resultierenden Fehlpassungsspannungen ihre Richtung ändern, und zwar für alle Temperaturen, zum anderen dadurch, dass sich die Ausrichtung der Floßbildung ändert, was nur bei hohen Temperaturen auftritt. Um beide Effekte zu trennen, werden [001]-orientierte Einkristalle der betreffenden Legierungen hergestellt und kriechgetestet, zunächst bei 850°C, wo die würfelförmige Mikrostruktur stabil ist, dann bei 1000°C, wo Floßbildung auftritt. Parallel zu den Versuchen wird die Kriechrate für verschiedene g'-Morphologien und Vorzeichen des Misfits abgeschätzt. Die geplanten Untersuchungen geben Aufschluss darüber, welches Vorzeichen der Fehlpassung für das Kriechverhaltung von Superlegierungen vorteilhaft ist. Gegebenenfalls eröffnet sich daraus die Entwicklung von Superlegierungen mit positiver Fehlpassung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Foundation for Basic Research
• Kooperationspartner: Dr. S. Nikolay Vasilyevich Petrushin