PDF - JuSER - Forschungszentrum Jülich

KURZFASSUNG
Untersuchungen der Strukturstabilität von Ni-(Fe)-Basislegierungen für Rotorwellen in
Dampfturbinen mit Arbeitstemperaturen über 700 °C
von Tomáš Seliga
Die angestrebte Erhöhung des Wirkungsgrades moderner Kraftwerksanlagen mit
Dampfturbinen setzt eine Erhöhung der Dampftemperaturen auf 700 bis 720 °C voraus. Für
wesentliche Bauteile wie Turbinenrotoren und –scheiben ergeben sich daraus erhöhte
Anforderungen an die Warmfestigkeit, die von den derzeitig eingesetzten Stählen nicht mehr
erfüllt werden können. Als neue Werkstoffe für thermisch-mechanisch hochbeanspruchte
Bauteile kommen hier Ni-Basis-Schmiedewerkstoffe in Betracht, wobei deren Herstellbarkeit,
Strukturstabilität und thermo-mechanischen Eigenschaften für den Bau und Betrieb von
Dampfturbinen bei Betriebstemperaturen von 700 °C geeignet sein müssen.
Mit Blick auf die erforderliche Kriech- und Kriechrissbeständigkeit geeigneter Kandidaten
wurden im Rahmen eines DFG-Forschungsprojektes zunächst der Ni-Basis-
Schmiedewerkstoff Waspaloy und eine Ni-Fe-Basislegierung ausgewählt, die
unterschiedliche Verfestigungsmechanismen aufwiesen. Waspaloy ist ein γ'-gehärteter
Werkstoff mit geringen Anteilen von Carbiden an den Korngrenzen. Inconel 706 ist ein
teilchengehärteter Werkstoff mit einer sehr komplexen Ausscheidungsstruktur, die sich aus
Carbiden, γ'- und γ''-Teilchen sowie der η-Phase zusammensetzt. Die Kandidatwerkstoffe
wurden hinsichtlich ihrer Umschmelzbarkeit und Schmiedbarkeit, ihrer Langzeit-
Strukturstabilität und ihrer Kriech- und Kriechrisswachstumseigenschaften untersucht und
modelliert.
Die Erkenntnisse über die Mikrostruktur-Langzeitstabilität der ausgewählten Werkstoffe und
deren Umschmelzbarkeit, Schmiedbarkeit und mechanischen Eigenschaften haben zu zwei
Werkstoffmodifikationen geführt, die von Waspaloy und von Inconel 706 abgeleitet wurden
und die Bezeichnungen DT 750 und DT 706 tragen. Die Modifikation des Waspaloy zu
DT 750 diente dabei mehr der besseren Umschmelzbarkeit (Vermeidung der Freckle-
Bildung). Eine Verbesserung der Langzeitstabilität der Mikrostruktur war nicht erforderlich,
durch eine geänderte Wärmebehandlung wurde eine homogene, monomodale
γ’-Teilchenverteilung erreicht. Die Modifikation von Inconel 706 zu DT 706 hingegen diente
der Stabilisierung der γ’-Phase und Reduzierung der γ’’-Phase, ohne die zellular an den
Korngrenzen ausgeschiedene η-Phase zu unterdrücken.
Diese Arbeit präsentiert die Untersuchungsergebnisse zur strukturellen Langzeitstabilität der
genannten Werkstoffe und ihrer Modifikationen. An Hand metallographischer und
elektronenmikroskopischer Strukturanalysen werden die Einflüsse von Wärmebehandlungen
und thermischen Auslagerungen auf die Struktur dargestellt und die Konsequenzen für das
mechanische Verhalten erörtert.