Einsatz polykristalliner Nickelbasis-Legierungen zur Herstellung nanoporöser Membranen (PDF)

In der vorliegenden Arbeit werden Legierungsentwicklung und Herstellungsprozess nanoporöser Membranen auf Basis polykristalliner Nickelbasis-Legierungen vorgestellt, weiterhin werden die funktionalen Eigenschaften der so gewonnenen Membranen untersucht. Die eingesetzten Legierungen mussten für die speziellen Anforderungen dieser Anwendung auf Basis etablierter Systeme bzw. durch komplette Neuentwicklung ausgelegt werden. Zum einen wurden Abwandlungen der kommerziell verfügbaren Nickelbasis-Legierung Nimonic 115 eingesetzt. Die Zusammensetzung dieser Legierung wurde dahingehend verändert, dass in einem esten Schritt Kohlenstoff aus der Legierung entfernt wurde, um Karbidausscheidungen zu verhindern. Das Ergebnis ist die mit 115 NC bezeichnete Legierung, aus der erfolgreich Membranen hergestellt wurden. Eine weitere Veränderung der Zusammensetzung, Molybdän wurde durch Vanadium ersetzt, führte zu Legierung 115 NCV. Hier konnte zusätzlich die Festigkeit verringert und somit die Umformbarkeit verbessert werden. Zum anderen wurde eine neue Legierung mit der Bezeichnung Ni-13Fe-8Al-4Ti entwickelt. Hier wurde eine möglichst einfache Zusammensetzung gewählt, die eine Legierung mit allen benötigten Eigenschaften ergibt. Für dieses System ist eine sehr gute Umformbarkeit schon bei Raumtemperatur gegeben. Die Herstellung der nanoporösen Membranen fußt auf dem Phänomen der erichteten Vergröberung der γ- Phase in Nickelbasis-Legierungen. Damit diese eintritt ist eine plastische Verformung der Probe und eine Auslagerung bei hohen Temperaturen von Nöten. Die Nutzung eines Walzprozesses hat sich in diesem Zusammenhang als sehr gut einsetzbar erwiesen. Daher wurden für die drei neu entwickelten Legierungen Walzrouten erarbeitet, die zu gerichteter Vergröberung führen. Hierbei werden relativ kleine plastische Verformungen in das Walzgut eingebracht, eine anschließende Auslagerung führt zur Vergröberung der γ-Ausscheidungen. Damit eine vollständig ausgerichtete Vergröberung erfolgt und die Membranen hergestellt werden können muss diese Folge mehrfach wiederholt werden. Ein chemischer Extraktionsprozess im sogenannten MoO3-Ätzmittel wird als abschließender Schritt zur Membranherstellung eingesetzt. Nach dem Herauslösen der γ-Phase verbleibt eine stabile poröse Struktur. Diese Struktur ist permeabel für Gase, wie in Durchströmversuchen gezeigt werden konnte. Ein Vergleich von Membranen verschiedener Dicken zeigte, dass die Durchflussrate mit zunehmender Membrandicke abnimmt.