Production of polycrystalline superalloy membranes by cross-linking of incoherent g´-precipitates
Mechanical Properties of Metallic Materials and their Microstructural Origins
Final Report Abstract
Im Rahmen des Projekts konnten die wesentlichen Forschungsfragestellungen geklärt werden. Insbesondere konnte gezeigt werden, wie Wachstum und Vernetzung der γ‘-Teilchen bei der Herstellung inkohärent vergröberter, polykristalliner Superlegierungsmembranen stattfindet. Dabei bestätigte sich die Arbeitshypothese zu Projektbeginn, wonach Vernetzung durch gerichtetes Teilchenwachstum in <111>-Richtung erfolgt, nicht. Vielmehr entstehen im Laufe der langsamen Abkühlung quaderförmige Blöcke, die sich über einen langen Zeitraum abstoßen, da sich außen fortgesetzt neues, kohärentes γ‘ bildet. Erst mit dem Kohärenzverlust dieser äußeren Grenzflächen bei längerer Wärmebehandlung kommt es zu einer vollständigen Vernetzung der γ‘-Phase und damit zu einem bikontinuierlichen γ/γ‘-Gefüge. Aus diesem Grund ist eine isotherme Wärmebehandlung in der Größenordnung von 200 h im Anschluss an das langsame Abkühlen für die Membranherstellung unabdingbar. Zudem konnte untersucht werden, welchen Einfluss die Abkühlgeschwindigkeit und die isotherme Auslagerungstemperatur auf die Gefügeentwicklung haben. Während sich die γ‘-Größe und damit die spätere Porengröße primär über die Abkühlrate beeinflussen lässt, ist die isotherme Auslagerungstemperatur für den Porenvolumenanteil maßgeblich. Die Untersuchung der mechanischen Eigenschaften im Zugversuch bestätigten die Vorversuche. Es wurden Zugfestigkeiten oberhalb derjenigen der besten Einkristallmembranen ermittelt. Fraktographische Untersuchungen zeigten, dass der Bruchpfad überwiegend interkristallin erfolgt, Korngrenzen also das schwächste Glied in der Kette sind. Verantwortlich hierfür ist eine hohe Belegungsdichte von γ‘-Teilchen entlang der Korngrenzen, sodass nur vergleichsweise wenige γ-Ligamente vorhanden sind, um Lasten von Korn zu Korn zu übertragen. Schließlich wurde die Permeabilität inkohärent und kohärent vergröberter, polykristalliner Superlegierungsmembranen vergleichend untersucht. Dabei ergaben sich vergleichbare Werte trotz erheblich unterschiedlicher Porenmorphologie. Dies wurde damit begründet, dass im ersteren Fall zwar größere Poren aber auch ausgeprägte Engstellen zwischen den Poren vorliegen. Insgesamt belegten die Untersuchungen das große Potential inkohärent vergröberter, polykristalliner Superlegierungsmembranen, die sich bei vergleichbarer Permeabilität und sehr guter Festigkeit zudem durch eine einfachen Herstellprozess auszeichnen.
Publications
- Nanoporous Superalloy Membranes: A Review. Adv. Eng. Mater. 2018, 20, 1701011
Rösler, J.; Voelter, C.
(See online at https://doi.org/10.1002/adem.201701011) - Polycrystalline Superalloy Membranes Produced by Load-Free Coarsening of Incoherent γ'-Precipitates: Microstructure Evolution and Mechanical Properties. Materials 2021, 14
Voelter, C.; Rösler, J.
(See online at https://doi.org/10.3390/ma14040784)
