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Literaturübersicht 2.2.7 Wirkung der Legierungselemente Durch Legierungszusätze kann eine Vielzahl von Parametern verändert werden. In der nachfolgenden Tabelle 2.1 ist die Wirkung der Legierungselemente dargestellt. Element Mischkristall -Härtung Al Ti V Nb Ta Cr Mo W Re Co Zr Hf Y B C N Ru Ir Fe γ’-Phase- Bildung Korngrenz- Verfestigung Korrosionsund Oxidations- Beständigkeit Weitere Wirkungen/ Gefahr/ Bemerkungen bildet dichte Oxidschicht bildet Nitride bildet η-Ni 3 Ti-Phase bildet MC, M(C,N) und TiN bildet MC bildet γ’’- und δ-Phase, bildet MC und M(C,N) verbessert Gießbarkeit, unterdrückt Bildung der µ-Phase, bildet MC bildet dichte Oxidschicht, Cr 23 C 6 , TCP bildet M 6 C und TCP M 6 C und TCP-bildner bildet Cluster in der γ-Phase verlangsamt die Diffusion, TCP senkt Stapelfehlerenergie, TCP kein Bedarf in SC- Legierungen verbessert Schichthafung bildet MC verbessert Schichthaftung verbessert Gießeigenschaften, bildet Boride, beeinflusst M 23 C 6 - Morfologie kein Bedarf in SC- Legierungen bildet TiC und M(C,N) unterdrückt TCP- Ausscheidung, senkt Al- und Ti-Gehalt in der γ-Phase unterdrückt TCP- Ausscheidung unterstützt η-Bildung TCP Tabelle 2.1: Wirkung der Legierungselemente [2.2.1 bis 2.2.22] 13
Literaturübersicht 2.3 Wärmebehandlung Optimierte, d.h. auf den jeweiligen Einsatzzweck abgestimmte, Werkstoffeigenschaften von ausscheidungsgehärteten Ni- oder Ni-Fe-Basissuperlegierungen lassen sich nicht nur über die Legierungszusätze, sondern auch mit Hilfe einer gezielten Wärmebehandlung und die damit einhergehenden Ausscheidungs-, Homogenisierungs-, Rekristallisation- und Kornwachstumsprozesse erreichen. In [2.3.1] wurde gezeigt, dass Udimet 520 (Wärmebehandlungspapameter: 1100°C/4h/Luft + 845°C/24h/Luft + 760°C/16h/Luft) mit einer feinen Verteilung der γ’-Phase bessere Eigenschaften bei Raumtemperatur aufweist, während der selbe Werkstoff mit größeren γ’-Teilchen (Wärmebehandlungspapameter: 1120°C/4h/Luft + 925°C/4h/Luft + 760°C/16h/Luft) bessere Eigenschaften bei Temperatur 700-900°C zeigt. Dies ist ein Hinweis darauf, dass in technischen Werkstoffen bei Raumtemperatur kleinere Ausscheidungen zu höherer Festigkeit beitragen. Die kleineren γ’-Teilchen sind jedoch bei hohen Temperaturen instabiler als die größeren, woraus eine Abnahme der Kriechbeständigkeit erklärt werden kann. Gegossene Bauteile aus Superlegierungen werden abhängig vom Anwendungsbereich, im Gusszustand und/oder im wärmebehandelten Zustand (Schaufelwerkstoffe werden teilweise nur homogenisiert und ausscheidungsbehandelt) verwendet [2.3.2]. Alle Knet- und PM-Superlegierungen werden nach einem allgemeinen Schema von aufeinanderfolgender Homogenisierungs- Lösungs- und Ausscheidungsglühung wärmebehandelt. 2.3.1 Homogenisierung Superlegierungen, z.B. Inconel 718, die hohe Anteile an Seigerungselementen (Nb, Ti, Al) enthalten, werden zwischen den Umformzyklen homogenisiert [2.3.3, 2.3.4]. Während der Homogenisierung kommt es durch Diffusion der Seigerungselemente von zwischendendritischen Bereichen in die dendritischen Bereiche und zu einer gleichmäßigen Verteilung über den Querschnitt der Komponente. 2.3.2 Lösungsglühbehandlung Die Festigkeit handelsüblicher Knetsuperlegierungen wird über die Ausscheidungen der γ’-Phase in Ni-Basissuperlegierungen bzw. der γ’-, γ’’- oder auch η-Phase in Ni-Fe-Basissuperlegierungen in der Matrix erzielt. Ausnahme sind mischkristallverfestigte Superlegierungen, bei denen schon durch die Abkühlung nach einer Lösungsglühbehandlung optimale M 23 C 6 -Carbidverteilung erreicht werden kann. Ein quasi-binäres Phasendiagramm für die Summe der γ’-bildenden Elemente ist in Abbildung 2.8 schematisch dargestellt. Um in den Bereich vollständiger Löslichkeit der γ’-bildenden Elemente in der γ-Matrix zu gelangen (bzw. weitere Ausscheidungen in Ni-Fe- Basissuperlegierungen aufzulösen), ist eine Temperatur oberhalb γ’-Solvustemperatur notwendig (blauer Bereich). Damit werden nach Schubert [2.3.5] folgende Ziele erreicht: • Auflösung der während der Warmumformung entstandenen γ’-Teilchen • Homogenisierung der γ’-bildenden Elemente • Einstellung der Korngröße und Auflösung von M 23 C 6 -Cardiden Die Höhe der Temperatur der vollständigen Löslichkeit von γ’ in γ ist von der chemischen Zusammensetzung abhängig und wird von der Lage der γ’-Solvuslinie bestimmt. 14
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Eine Steigerung des Wirkungsgrades
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