Stärkung der festen Lösung
Die Nickelmatrix einer gegossenen Superlegierung löst eine Reihe von Legierungselementen auf, die das Kristallgitter verzerren und die Versetzungsbewegung behindern. Chrom sorgt für Oxidationsbeständigkeit und mäßige Mischkristallhärtung, während Molybdän, Wolfram und Kobalt die Festigkeit bei hohen Temperaturen erhöhen, indem sie die Diffusion verlangsamen und das Gleiten von Versetzungen erschweren.
Die Festigung fester Lösungen ist der Basismechanismus, der die anderen Verstärkungsbeiträge unterstützt. Es ist am effektivsten bei mittleren Temperaturen, wo die gelösten Atome gleichmäßig verteilt bleiben und nicht so schnell vergröbern wie Niederschläge.
Gamma-Primärniederschlagsverstärkung
Der wichtigste Verstärkungsmechanismus in gegossenen Superlegierungen auf Nickel--Basis ist die Ausfällung der geordneten Gamma-Primärphase auf Basis von Ni3Al. Aluminium und Titan bilden zusammen mit Nickel kohärente quaderförmige Ausscheidungen, die die Versetzungsbewegung blockieren und bei hohen Temperaturen nicht leicht zerschnitten werden können.
Der Volumenanteil, die Größe und die Verteilung von Gamma-Primär bestimmen die Kriechfestigkeit der Legierung. Gusslegierungen mit hohem Aluminium- und Titangehalt können mehr als 50 Prozent Gamma{3}} entwickeln, weshalb sie bei geeigneter Kontrolle der Kornstruktur ihre Nutzfestigkeit weit über 900 Grad Celsius behalten.
Karbid- und Korngrenzenverstärkung
Kohlenstoff verbindet sich mit Titan, Tantal, Niob und Chrom zu Primärkarbiden, die während der Erstarrung und Wärmebehandlung Korngrenzen festlegen. Die Korngrenzen werden durch feine Sekundärkarbide, die sich während der Alterung ausscheiden, zusätzlich verstärkt, was ein Verrutschen der Korngrenzen unter Kriechbedingungen verhindert.
Auch bei Gussbauteilen spielt die Form der Korngrenzen eine Rolle. Unregelmäßige, gezackte Grenzen widerstehen dem Verrutschen wirksamer als gerade Grenzen, und eine gezielte Wärmebehandlung kann bei vielen gegossenen Superlegierungen eine gewünschte Grenzmorphologie erzeugen.
Strukturelle Merkmale des Gusszustands
Gegossene Superlegierungen haben eine dendritische Erstarrungsstruktur mit chemischer Segregation zwischen den Dendritenkernen und den interdendritischen Bereichen. Die Dendriten sind reich an feuerfesten Elementen, während die letzte Flüssigkeit, die sich verfestigt, Titan, Aluminium und Kohlenstoff konzentriert und grobe eutektische Gamma-Strich- und Karbidnetzwerke bildet.
Diese Gussstruktur ist gröber und stärker entmischt als bearbeitetes Material, sodass Gusskomponenten fast immer einer Homogenisierungsbehandlung unterzogen werden, gefolgt von einem Lösungs- und Alterungszyklus. Porosität, Mikroschrumpfung und Einschlüsse können ebenfalls vorhanden sein und ihre Kontrolle bestimmt die Zuverlässigkeit des fertigen Gussstücks.
Immobilienentwicklung durch Wärmebehandlung
Die Wärmebehandlung gegossener Superlegierungen dient drei Zwecken: der Homogenisierung der segregierten Dendritenstruktur, dem Auflösen des Gamma-Primärs, das sich beim Abkühlen gebildet hat, und der erneuten Ausfällung einer gleichmäßigen feinen Gamma-Primärdispersion mit kontrollierter Größe. Die Lösungsbehandlungstemperatur muss die vollständige Auflösung des Gamma-Primärs und das beginnende Schmelzen der eutektischen Bereiche ausgleichen.
Nach der Lösungsbehandlung führt ein zwei{0}stufiger Alterungszyklus zum Wachstum von Gamma-Primär auf die optimale Größe und zur Stabilisierung der Karbide. Die endgültige Mikrostruktur sorgt für das für die Bauteilaufgabe erforderliche Gleichgewicht zwischen Kriechfestigkeit, thermischer Ermüdungsbeständigkeit und Duktilität.
Häufig gestellte Fragen
F: Was ist die Hauptverfestigungsphase in gegossenen Superlegierungen auf Nickel--Basis?
A: Die auf Ni3Al basierende Gamma-Primärphase ist die Hauptverfestigungsphase und sorgt für kohärente Ausscheidungen, die die Versetzungsbewegung bei hohen Temperaturen blockieren.
F: Warum werden feste Lösungselemente wie Molybdän und Wolfram hinzugefügt?
A: Sie verzerren das Nickelgitter und verlangsamen die Diffusion, erhöhen die Matrixfestigkeit bei hohen Temperaturen und unterstützen die durch Ausfällung{0}}verstärkte Struktur.
F: Wie unterscheidet sich die Gussstruktur von der gekneteten Superlegierungsstruktur?
A: Die Gussstruktur ist dendritisch mit grober Segregation und großer Korngröße, während die Schmiedestruktur eine rekristallisierte, verfeinerte Kornstruktur aufweist, die durch Warmumformung erzeugt wird.
F: Welche Rolle spielen Karbide in gegossenen Superlegierungen?
A: Primärkarbide fixieren die Korngrenzen während der Erstarrung und Sekundärkarbide verstärken die Grenzen gegen ein Verrutschen beim Kriechen.
F: Warum ist eine Homogenisierungsbehandlung für gegossene Superlegierungen erforderlich?
A: Es reduziert die chemische Entmischung zwischen Dendritenkernen und interdendritischen Regionen und verbessert so die mechanischen Eigenschaften und die Reaktion auf die anschließende Wärmebehandlung.
