Hochtemperaturlegierungen - Projekte

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Ein wirtschaftlicher Weg zur Reduzierung des Kohlendioxidausstoßes von Flugzeugen ist die deutliche Verbesserung des Wirkungsgrades von Flugturbinen. Eine effektive Methode besteht darin, Leckagen des Luftstroms insbesondere zwischen den rotierenden Teilen und dem Turbinengehäuse zu verringern. Am weitesten verbreitet in Flugturbinen zur Abdichtung von Rotor zu Stator sind dabei sog. Labyrinth-Waben-Dichtungen.

An die Labyrinth-Dichtungssysteme werden vielfältigste Anforderungen gestellt. Besonders wichtig ist die Unterdrückung von Leckagen. Darüber hinaus sollen aber auch die sog. Finnen der rotierenden Turbinenschaufeln beim Einlaufen in die Dichtwaben nicht verschleißen. Die Waben hingegen erhalten eine hinreichende Verschleißtoleranz durch kleine Kontaktflächen mit dem Rotor.

Im vorliegenden Projekt werden in Zusammenarbeit mit zwei weiteren Instituten vielfältigste Aspekte dieser Labyrinth-Waben-Dichtungen erforscht. Ziel des Teilprojektes ist es, die mechanischen Eigenschaften der eingesetzten Werkstoffe und dabei insbesondere deren Verformungsverhalten bei hohen Temperaturen und Dehnraten zu erforschen.

Ansprechpartner:

Seit Jahrzehnten werden vielfältige Anstrengungen unternommen, um metallische Legierungen für den Einsatz unter extremen Bedingungen wie hohen Betriebstemperaturen, hohen Drücken und / oder in korrosiven Medien zu entwickeln.

Legierungen auf Basis der Refraktärmetalle Mo, Nb oder Cr mit hohen Schmelzpunkten werden als potenzielle Kandidaten betrachtet. Unter diesen Legierungen bieten Cr-Basislegierungen besonders interessante physikalische und mechanische Eigenschaften, wie z. B. ein hohes spezifisches Elastizitätsmodul, eine geringe Dichte, eine hohe Oxidationsbeständigkeit, eine hohe Kriechfestigkeit und vergleichsweise geringere Kosten.

Ziel des Projektes ist die Etablierung eines Vakuuminduktionsschmelz- bzw. Gießverfahrens, dass die Herstellung größerer Volumina mit definierter Geometrie von Hochtemperaturlegierungen mit Schmelzpunkten > 1700 °C ermöglicht. Es werden mikrostrukturelle Untersuchungen durchgeführt, um die Wechselwirkungen Legierungsschmelze / Schmelztiegel und Legierungsschmelze / Gussform aufzudecken. Mechanische Untersuchungen bei höchsten Temperaturen charakterisieren die untersuchten Legierungen.

Einkristallines, dendritisches Gefüge dünnwandiger Proben

Ansprechpartnerin: Selina Körber

Turbinenschaufeln besitzen im Inneren sehr dünne, filigrane Trennwände zwischen den komplexen Kühlkanälen, um den Einsatz bei hohen Temperaturen zu ermöglichen. Bei diesen Trennwänden ist eine nachträgliche Bearbeitung nicht mehr möglich. Frühere Untersuchungen zeigten bereits, dass eine Reduzierung der Wandstärke zur Verschlechterung der Kriecheigenschaften führt.  Für die Vorhersage der Lebensdauer von Turbinenschaufeln ist es daher wichtig, den Einfluss dünner Wandstärken auf die Kriecheigenschaften zu quantifizieren.

Im Rahmen des DFG-Projektes GL 181/52-1 sollen einkristalline, dünn gegossene Strukturen mit einer minimalen Wandstärke von 0,4/0,8/1,0/2,0 mm mit einer möglichst homogenen Wandstärkenverteilung aus der Nickelbasis-Superlegierung MAR M247 LC über den Feingussprozess hergestellt. Die einkristallinen, dünnwandigen Proben werden bezüglich der Mikrostruktur und deren Kriechverhalten charakterisiert, um neben dem Einfluss der Wandstärke auch den Gusshauteinfluss zu untersuchen.

Ansprechpartner: Yueh-Yu Lin

IN718 ist die weltweit am meisten verwendete Superlegierung, da sie eine vorteilhafte Kombination aus günstigen mechanischen Eigenschaften und guter Korrosionsbeständigkeit bei hohen Temperaturen aufweist. Daher wird diese Legierung in der Luft- und Raumfahrt, in der Petrochemie sowie in der Öl- und Gasindustrie umfassend verwendet.

Der Hauptverstärkungsmechanismus des IN718 ist die Ausscheidungshärtung, die hauptsächlich durch scheibenförmige metastabile γ"-Ausscheidungen bewirkt wird. Die kleine Größe und Instabilität der Ausscheidungen führt jedoch dazu, dass es schwierig ist, ihre eigenen mechanischen Eigenschaften zu messen. Um das Keimbildungs-, Reifungs- und Wachstumsverhalten genauer simulieren zu können, müssen die Eigenschaften der γ"-Ausscheidungen genauer untersucht werden.

Ziel des Projekts ist es, das Ausscheidungsverhalten der γ" in einer entworfenen Legierung ohne äußere Einflüsse zu beobachten und anschließend die mechanischen Eigenschaften zu messen und zu berechnen

Ansprechpartnerin: Petra Pfizenmaier

Chrombasislegierungen sind vielversprechende Kandidaten für Einsatztemperaturen oberhalb von Nickelbasislegierungen, da sie einen höheren Schmelzpunkt besitzen und eine geringere Dichte aufweisen. Ihr Nachteil sind jedoch geringe Oxidationsbeständigkeit und Versprödung durch Stickstoff bei hohen Temperaturen sowie eine hohe Übergangstemperatur von sprödem zu duktilem Materialverhalten. Chrom bildet zusammen mit Elementen wie Si und Ge die Intermetallische A15 Phase Cr3(Si,Ge), welche sehr gute Kriecheigenschaften bei extrem hohen Temperaturen aufweist. So können durch eine gezielte Auslagerung die mechanischen Eigenschaften eingestellt werden. Zusätzlich wird eine Verbesserung der Beständigkeit gegenüber Sauerstoff und Stickstoff bei sehr hohen Temperaturen erlangt.

Ziel des Projektes ist die Entwicklung einer wärmebehandelbaren Chrombasislegierung mit verbesserten Oxidationseigenschaften und Beständigkeit gegenüber Stickstoff bei hohen Temperaturen und einer erhöhten Duktilität bei Raumtemperatur.

Ansprechpartner: Konstantin Firlus

Das DFG-Projekt GL 181/51-1 befasst sich mit dem negativen Kriechen von Nickelbasis-Superlegierungen. Dieser Effekt tritt unter anderem bei einigen Hochtemperaturlegierungen während der Betriebszeit auf und führt zu einer Schrumpfung des Bauteils. Entscheidend für das negative Kriechen ist neben der Legierung, die Temperatur und die Spannungen, die im Bauteil auftreten. Bei großen Spannungen überlagert das „positive“ Kriechen das Negative.

Ursache für das negative Kriechen sind Zusammensetzungsänderungen und eine Verschiebung des Anteils der γ und γ′-Phase. Topologically close-packed phases (TCP-Phasen) stehen ebenfalls im Verdacht die Kontraktion des Werkstoffs zu fördern.

Ziel des Projekts ist es an einer Nickelbasis-Superlegierung durch gezielte Legierungsveränderung die einzelnen Effekte zu separieren und somit deren Einfluss auf das negative Kriechen zu untersuchen.

Ansprechpartnerin: Julia Hastreiter

Eine spezielle Form der Hochtemperaturkorrosion stellt die innere Oxidation dar. Bei der das unedlere Element in einer Legierung selektiv oxidiert wird. Eine extrem rasch voranschreitende innere Oxidation kann in speziellen ternären Legierungen, wie der NiZrY-Legierung, beobachtet werden. Hierbei entsteht eine Legierung mit einem Gefüge aus oxidischer und metallischer Phasen, welches die Bezeichnung Metallmatrixverbundwerkstoff MMC oder oxiddispersionsverstärkter Legierung trägt.

Ziel dieses Projektes ist es, die mechanischen Eigenschaften, sowie des Verformungsverhaltens dieser ternären Legierungen mit extrem rascher innerer Oxidation zu charakterisieren. Dazu werden mechanische Prüfverfahren an Miniaturproben bei unterschiedlichen Temperaturen und mit oder ohne vorheriger innerer Oxidation angewendet.

Ein Beispiel hierfür ist die Zugprüfung einer im Vorfeld nicht inneroxidierter NiZrY-Legierung bei 950°C an Luft. Während des Versuches findet eine innere Oxidation der Zr- und Y-Elemente zu yttriumstabilisierten Zirkoniumoxid (YSZ) bis weit in die Probe hinein statt.

Ansprechpartner: Sebastian Haas

Während der Optimierungen der äquiatomaren Legierung AlCoCrCuFeNi, einer der meist untersuchten Legierungen aus der relativ neuartigen Gruppe der „Hochentropielegierungen“, ist ein vielversprechender Werkstoff für Hochtemperaturanwendungen mit der Summenformel Al10Co25Cr8Fe15Ni36Ti6(at.%) entwickelt worden. Die Mikrostruktur lehnt sich hierbei an einer von Nickelbasis-Superlegierungen bekannten Struktur an: Kubische γ´-Partikel liegen zu einem relativ hohen Volumenanteil (~40%) kohärent in einer γ-Matrix vor, was hervorragende mechanische Eigenschaften bei hohen Temperaturen mit sich bringt.

Im Zuge des DFG-Projektes werden verschiedene Spurenelemente (Mo, W, C, B, Y, Zr, Hf) in geringen Mengen (bis zu 1 at.%) der Ausgangslegierung zugegeben. Über die Anpassung der Legierungszusammensetzung, sowie der Optimierung der Wärmebehandlung sollen die Größe und der Volumenanteil an γ´-Partikeln weiter gesteigert werden. Zur Charakterisierung der Legierungen werden mechanische Prüfverfahren bei erhöhten Temperaturen durchgeführt, weiterhin wird das Korrosions- und Oxidationsverhalten untersucht

Ansprechpartnerin: Sonun Ulan kyzy

An unserem Institut beforschen wir intensiv die Anstreifvorgänge in Labyrinthdichtungen. Warum ist es sinnvoll darüber zu forschen?

Ein Beispiel:

Ca 2,5 % des globalen CO2 – Ausstoßes wird von Luftfahrzeugen verursacht. Gleichzeitig nimmt die Zahl der Flugreisen zu, die Emission von Schadstoffen wird stark erhöht.

Eine ökologische Verbesserung in Flugturbinen kann durch Optimierung der Abstände zwischen den festen und ein beweglichen Teilen herbeigeführt werden – zudem ist diese auch ökonomisch nicht unattraktiv. Der Abstand zwischen diesen Teilen ist maßgeblich für die Höhe des Brennstoffverbrauchs.

Eine technisch mögliche Lösung ist es, die Leckagen in den Gasführungen mittels der Anstreifsysteme zu verringern. Labyrinthdichtungen (als rotierende Komponente) in Kombination mit Honigwabenbelägen (als statische Komponente) sind die am häufigsten verwendeten Anstreifsysteme.Bei Anwendung dieser Komponenten können die Spalte minimal ausgelegt werden, so dass bei transientem Betrieb Anstreifvorgänge entstehen.

Die rotierende Spitze der Labyrinthdichtung ist üblicherweise die hochwertigere Komponente, sie muss vollständig geschützt werden. Die statischen Honigwabenbeläge dagegen werden während des Turbinenbetriebes durch die rotierende Dichtspitze verschließen. Der bevorzugter Verschleiß an der Honigwabe erfolgt aufgrund ihrer dünnwandigen Hohlkörperstruktur (oder auch geringe Festkörperoberfläche).

Die Anstreifvorgänge in Turbinen unterscheiden sich von den anderen tribologischen Systemen durch sehr hohe Relativgeschwindigkeit (von 150 bis 450 m/s) und sehr geringe Zustellung des Rotors (von 1 bis 1000 mm/s). Die Kombination dieser beiden Parameter – (also Geschwindigkeit und der Abstand) kann zu extrem hohen Spannungen, Dehnungen sowie Temperaturen im Wechselwirkungsbereich führen. Die Werkstoffeigenschaften der beteiligten Komponenten sind dabei zentral.

Ziel des Projektes unseres Lehrstuhles und zwei weiterer Institute ist durch ein grundlegendes Verständnis für die Anstreifvorgänge zwischen Labyrinthdichtungen und Honigwabenbelägen die Prozesse signifikant zu optimieren.

Ansprechpartner: Peter Kellner

Mo-Borsilizid Legierungen (Tm > 2000°C) sind aufgrund ihrer guten Kriecheigenschaften ein potentieller Kandidat zukünftiger Hochtemperaturwerkstoffe. Zu den Zielen dieses Projektes zählen die Identifizierung geeigneter Mikrolegierungselemente zur Verbesserung der Kriech- und Oxidationseigenschaften, sowie der Reduzierung der Spröd-Duktil-Übergangastemperatur. 

Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Uwe Glatzel

DFG-Bewilligung zum Aufbau internationaler Kooperationen zum genannten Thema.

Ansprechpartner: Fabian Krieg

Das Kriech- und Oxidationsverhalten der Nickelbasis-Superlegierung PWA1484 wird untersucht. Besondere Aufmerksamkeit gilt der Prüfung dünner Proben mit einer maximalen Dicke von 1,0 mm. Die Proben waren unbeschichtet oder alitiert. Die Oxidationsexperimente wurden bis zu 1000 h bei Temperaturen von 980°C und 1100°C in Luft spannungsfrei durchgeführt.
Die alitierten Proben zeigen eine kleine Oxidschicht von etwa einem Mikrometer, nach langer Auslagerung bei hohen Temperaturen zeigt sich eine verstärkte Bildung von TCP-Phasen. Diese Phasen haben eine nadel- bis plattenartige Struktur und reichen weit in die ursprüngliche Gefüge hinein. Zusätzlich wandelt sich die NiAl-Beschichtung in eine martensitische Struktur um.
Unbeschichtete und alitierte Proben wurden im Kriechversuch bei Temperaturen von 980°C und 1100°C mit Spannungen von bis zu 170 MPa an Luft getestet. Sowohl die unbeschichteten als auch die alitierten Proben zeigen eine große Streuung der Bruchzeit und Dehnrate bei einer Temperatur von 980°C unabhängig von der Probendicke. Der Dickeneffekt war nicht beobachtbar. Bei Temperaturen von 1100°C wurde jedoch der Dickeneffekt bei beiden Probentypen eindeutig gemessen. Die Streuung der Bruchzeit und der minimalen Kriechrate ist gering.

Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Uwe Glatzel

Ansprechpartner: Dr. rer. nat. Adelheid Schütz

Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Uwe Glatzel, Dr.-Ing. Rainer Völkl

Nähere Informationen finden Sie hier 

Vollständiger Titel: 

Hoch-Entropie Legierungen als Hochtemperaturwerkstoffe? Mikrostruktur, mechanische Eigenschaften, Oxidations-und Korrosionsverhalten

Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Uwe Glatzel

Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Uwe Glatzel

Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Uwe Glatzel

Vollständiger Titel:

Untersuchungen zum Einfluss der Dünnwandigkeit auf die metallischen Hochtemperatureigenschaften verschiedener Nickelbasissuperlegierungen

Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Uwe Glatzel

Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Uwe Glatzel

Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Uwe Glatzel

Vollständiger Titel: 

Untersuchung zur inneren Oxidation von Mehrstofflegierungen auf Nickelbasis im Hinblick auf die Entwicklung einer schmelzmetallurgisch herstellbaren, oxiddispersionsgehärteten Nickelbasislegierung

Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Uwe Glatzel

Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Uwe Glatzel

Vollständiger Titel: 

Entwicklung von Höchsttemperaturlegierungen auf Platinbasis (Platinbasissuperlegierung) und deren mikrostrukturelle und mechanische Charakterisierung

Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Uwe Glatzel

Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Uwe Glatzel