Entwicklung einer neuen Nickelbasis-Superlegierung auf Basis von Alloy 718 (PDF)

Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Entwicklung einer neuen Legierung auf Basis von Alloy 718 für Hochtemperaturanwendungen in Flugzeug- und stationären Gasturbinen bei 700° C und höher. Alloy 718 ist die meist verbreitete Nickelbasis-Superlegierung, die etwa 60% des gesamten Marktvolumes der Nickelbasis-Superlegierungen ausmacht. Dabei weist diese Legierung eine hervorragende Kombination von mechanischen Eigenschaften, guter Herstellbarkeit und relativ niedrigen Kosten auf. Allerdings kann Alloy 718 aufgrund der Gefügestabilität nur bis maximal 650°C eingesetzt werden.
Im Rahmen dieser Arbeit, die in Kooperation mit der Outokumpu VDM GmbH durchgeführt wurde, wurde eine neue Ni-Co-Basis Schmiedelegierung entwickelt, die es aufgrund der angestiegenen Phasenstabilität erlaubt, die Anwendungstemperatur bis mindestens 750° C zu erhöhen. Dabei wurde ein neuartiger Ansatz verfolgt: Co wurde als Legierungselement verwendet, um die Stabilität bzw. die Solvus-Temperatur der δ-Phase zusammen mit Nb zu erhöhen. Es erlaubte, Ti- und Al-Gehalte zu erhöhen, ohne dabei die Herstellbarkeit zu verschlechtern.
Die vorliegende Arbeit beschreibt schrittweise die Legierungsentwicklung, die über systematische Untersuchungen des Einflusses von einzelnen Elementen wie z.B. Co, Ti und Al auf die Phasenbildung und -stabilität zu einem Entwicklungskonzept führt. Dies erlaubt es, nicht nur optimale Konzentrationen verschiedener Legierungselemente im System Ni-Co-Fe-Al-Ti-Nb-Mo-Cr-C, sondern auch die Toleranzbereiche von Gehalten der Legierungselemente zu finden, was für den Herstellungsprozess der neuen Legierung im Industriemaßstab aufgrund der möglichen Seigerungen der Legierungselemente von Bedeutung ist. Die Gefügeuntersuchungen nach einer Auslagerung bei 800° C für 2000 h zeigen hervorragende Phasenstabilität der neuen Legierung. Diese Ergebnisse lassen den Schluss zu, dass die neue Legierung mindestens bis zu einer Arbeitstemperatur von 750° C angewendet werden kann. Im Rahmen der Zusammenarbeit mit den Instituten für Metallurgische Prozesstechnik und Metallrecycling (IME) und für Bildsame Formgebung (IBF) RWTH Aachen wurde diese Legierung im Technikumsmaßstab nach Triple Melt-Verfahren hergestellt. Dabei wurden keine Auffälligkeiten im Vergleich zu Alloy 718 beobachtet.