Erstarrung und Mikrostruktur von in Schwerelosigkeit hergestellten Nickel-Aluminium-Hochtemperaturlegierungen



Neue Entwicklungskonzepte für Komponenten in modernen Energiewandlungssystemen - stationäre Gasturbinen in Kraftwerken, Verbrennungsmaschinen und Heizleiter - mit verbessertem thermischen Wirkungsgrad, verringertem Kraftstoffverbrauch und Abgasemissionen erfordern die Verwendung von Hochtemperaturwerkstoffen mit optimierten physikalischen und mechanischen Eigenschaften so wie guter Oxidationsbeständigkeit.

Die intermetallische Verbindung Nickel-Aluminium besitzt einige hervorragende Eigenschaften wie etwa hohe Elastizität und thermische Leitfähigkeit, niedrige Dichte und einen ausgezeichneten Oxidationswiderstand bis zu Temperaturen von 1.300 Grad Celsius.

Der hohe Schmelzpunkt ermöglicht im Vergleich zu konventionellen nickel- oder kobaltbasierten Superlegierungen erhöhte Bauteil-Einsatztemperaturen. Neu entwickelte Nickel-Aluminium-Basislegierungen mit Refraktärmetallen betrachtet man als vielversprechende Strukturwerkstoffe für Anwendungen bei hohen Temperaturen in fortschrittlichen Energiewandlungssystemen.

Neu entwickelte Konzepte mit Makro- und Mikrolegierungselementen von Übergangsmetallen und Metallen der Hauptgruppen wurden erprobt, um die Verformbarkeit und den Kriechwiderstand zu verbessern. Eine Erhöhung des Hochtemperaturkriechwiderstands durch Teilchenhärtung und Faserverstärkung ist ein wichtiges Ziel der fortgeschrittenen Legierungsentwicklung.

Die Systeme Nickel-Aluminium-Chrom, Nickel-Aluminium-Molybdän und Nickel-Aluminium-Rhenium ermöglichen durch gerichtete Erstarrung die Herstellung von in-situ Kompositwerkstoffen mit Refraktärmetallfasern, hoher elastischer Steifigkeit und hervorragender thermischen Stabilität. Im Vergleich zu anderen ein- oder polykristallinen Nicke-Aluminium-Werkstoffen besitzen die faserverstärkten Nickel-Aluminium-Matrix-Komposite verbesserte Eigenschaften insbesondere hinsichtlich der Bruchzähigkeit bei Raumtemperatur und der Hochtemperaturfestigkeit.

Das Ziel dieses Projektes ist die Herstellung von Nickel-Aluminium-X-Legierungen (X = Chrom, Molybdän, Rhenium) unter reduzierter Schwerkraft, die es ermöglicht, den Einfluss unterschiedlicher Refraktärmetallgehalte in den zweiten Phasen auf die Oberflächenspannung und Erstarrungsstruktur, das heißt Morphologie und Verteilung der Refraktärmetallphasen in den Legierungen zu untersuchen. Die Versuchsdurchführung unter den Bedingungen reduzierter Schwerkraft ist sehr wichtig für die Experimente wegen der großen Dichteunterschiede der verwendeten Refraktärmetalle.

Eine weitere wesentliche Zielsetzung der Parabelflugexperimente unter Schwerelosigkeit ist die Bestimmung der intensiven Unterkühlung, ohne dass durch Behälterwandung Heterogenkeime gebildet werden. Die Kenntnis der Unterkühlung ist notwendig für eine effiziente Kontrolle des Erstarrungsvorganges von Gussproben aus Nickel-Aluminium-Basislegierungen, die in Behältern prozessiert werden.


Kontakt
Dr. Frank Stein
Max-Planck-Institut für Eisenforschung

Tel: +49 211 6792-295

E-Mail: stein@mpie.de
Prof. Dr. Georg Frommeyer
Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH

Tel: +49 211 679 2295

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