Auswirkungen der Elemente B, Zr und C auf die Korngrenzenrissbildung einer gerichtet erstarrten Nickelbasis-Superlegierung

Im Verlauf der letzten Jahrzehnte wurde die Effizienzsteigerung von Gasturbinen insbesondere im Heißgasbereich durch Verbesserungen der eingesetzten Werkstoffe, der Beschichtungssysteme sowie der Schaufelkühlung realisiert. Die zunehmende Komplexität der innengekühlten und damit dünnwandigen Lauf‐ und Leitschaufeln stellt immer höhere Anforderungen an den Feingussprozess, weil Gussfehler die Ausbringung beeinflussen. Korngrenzenrisse stellen bei Bauteilen aus konventionell vergossenen oder gerichtet erstarrten Nickelbasis‐Superlegierungen ein wichtiges Problem dar, weil sie die Werkstoffauswahl und die Designfreiheit stark einschränken.

Diese Doktorarbeit beschäftigt sich mit der Optimierung der chem. Zusammensetzung dieser Superlegierungen. Ziel der Arbeit ist es, ein Verständnis zur Wirkungsweise von Legierungselementen auf die Spannungs‐ und Erstarrungsrissbildung abzuleiten und verbesserte Legierungszusammensetzungen vorzuschlagen.

Es konnte gezeigt werden, dass die Gießbarkeit einer Superlegierung sehr stark von den korngrenzenaktiven Elementen C, Zr, B, und Hf abhängt. Bei der Erstarrung seigern diese Elemente in die Flüssigphase und beeinflussen maßgeblich die Konzentration der Restschmelze am Ende der Erstarrung in der „Filmphase“, wenn die semiliquide Struktur auftretende Dehnungen nicht mehr durch Nachspeisung und noch nicht über viskoplastische Verformung kompensieren kann. Es konnte gezeigt werden, dass je nach Konzentration an korngrenzenaktiven Elementen sowohl Erstarrungsrisse als auch Spannungsrisse auftreten können. Um Spannungsrisse zu vermeiden, sollte vor allem etwas B in der Legierung enthalten sein. Als Abhilfe gegen Erstarrungsrisse wurde ein wichtiger Zusammenhang zwischen dem Zr‐Gehalt sowie dem Gehalt an ƴ/ƴ‘‐Eutektikum und der Erstarrungsrissbildung abgeleitet. Gut gießbare Superlegierungen enthalten demnach etwas B, jedoch aber wenig bis kein Zr und zeichnen sich durch einen geringen Anteil an ƴ/ƴ‘‐Eutektikum aus. Eine alternative Legierungsstrategie mit hohen Anteilen an ƴ/ƴ‘‐Eutektikum ist ebenfalls möglich. Korngrenzenaktive Elemente beeinflussen die Korngrenzenenergie und damit die Korngrenzenkohäsion sowie Anfälligkeit gegen Rissbildung.