TRR 103:  Vom Atom zur Turbinenschaufel - wissenschaftliche Grundlagen für eine neue Generation einkristalliner Superlegierungen

• Fachliche Zuordnung: Materialwissenschaft und Werkstofftechnik
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2023
• Webseite: Zur Homepage
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 190389738

Die internationale Mobilität und die globale Energieversorgung hängen von einkristallinen Superlegierungen ab, die für Gasturbinen in Flugtrieb-werken und Gaskraftwerken gebraucht werden. Verbesserungen im thermischen Wirkungsgrad und im Umgang mit Ressourcen verlangen neue Konzepte, (i) beim grundlegenden Verständnis aller Aspekte der Legierungsentwicklung, (ii) bei den Herstellungs- und Verarbeitungstechnologien, (iii) bei der skalenübergreifende Charakterisierung der Nano- und Mikrostrukturen und der Werkstoffeigenschaften, (iv) bei der skalenübergreifenden Werkstoffmodellierung und (v) beim Umgang mit Daten. Im SFB/TR 103 gibt es zwei zentrale Fragen, die die Rolle von groß- und kleinskaligen Gefügeheterogenitäten (großskalig: Dendriten und interdendritische Bereiche, kleinskalig: γ/γ’-Bereiche der Mikrostruktur) und die Wirkung von Legierungselementen (insbesondere von d-Schalenelementen wie Re, W, …) betreffen. Man muss verstehen, wie diese Faktoren thermodynamische Gleichgewichte, die Evolution der Mikrostruktur und kritische Werkstoffeigenschaften beeinflussen. Moderne Legierungsentwicklung strebt nach einer Verbesserung von Werkstoffeigenschaften bei gleichzeitig sparsamerem Umgang mit fossilen Ressourcen. Insbesondere muss sie die Verfügbarkeit strategischer Elemente (z. B. weniger Re, mehr W, Mo und andere) berücksichtigen. Neben Ni- werden auch Co-Basis-Superlegierungen mit γ/γ’-Mikrostrukturen erforscht. Im SFB/TR 103 arbeiten die Ruhr-Universität Bochum (RUB) und die Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) zusammen. Sie werden durch das Max Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE, Düsseldorf), das Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR, Köln) und das Forschungszentrum Jülich (FZ Jülich) verstärkt. Im dritten vierjährigen Förderzeitraum des SFB/TRT 103 werden neue wissenschaftliche und werkstofftechnische Akzente bei der Bearbeitung offener Fragen zur Herstellung- und Verarbeitung, zur Stabilität von Mikrostrukturen und zu elementaren Verformungs- und Schädigungsprozessen gesetzt. Gleichzeitig stellen vier Transferprojekte sicher, dass ein Technologietransfer von der Hochschule in die Anwendung erfolgt.

• DFG-Verfahren: Transregios
• Internationaler Bezug: Schweden

Laufende Projekte

• T06 - Zur Rolle von TCP-Phasen bei der Hochtemperaturfestigkeit der polykristallinen Ni-Basis Superlegierung C-265 (Teilprojektleiter Eggeler, Gunther )
• T07 - Zur Auswirkung von Spurenelementen auf die Hochtemperatureigenschaften einkristalliner Ni-Basis Superlegierungen (Teilprojektleiter Eggeler, Gunther ;  Frenzel, Jan )
• T08 - Zum Einfluss der Morphologie von geordneten γ’-Phase Teilchen auf die Hochtemperaturfestigkeit von Ni-Basis Superlegierungen für große Schaufeln in Industrie-Gasturbinen. (Teilprojektleiter Eggeler, Gunther )
• T10 - Multikriterielle Optimierung der Zusammensetzung von Refraktärmetalllegierungen (Teilprojektleiter Markl, Matthias )
• T11 - Verformungsmechanismuskarten und festigkeitsbestimmende Mechanismen zur Vorhersage mechanischer Eigenschaften polykristalliner Superlegierungen (Teilprojektleiter Neumeier, Steffen )
• T12 - Additive Fertigung einkristalliner Nickel-basierter Komponenten durch elektronenstrahlbasiertes Pulverbettschmelzen (Teilprojektleiterin Körner, Carolin )
• T13 - Einfluss von Wasserstoff auf Phasenstabilitat und mechanische Eigenschaften von einkristallinen Ni-Basis Superlegierungen (Teilprojektleiter Eggeler, Gunther ;  Gault, Ph.D., Baptiste Jean Germain ;  Hammerschmidt, Thomas )
• T14 - Druckunterstützte thermochemische Behandlung von Hochleistungslegierungen (Teilprojektleiterinnen / Teilprojektleiter López Galilea, Ph.D., Inmaculada ;  Weber, Sebastian )

Abgeschlossene Projekte

• A01 - Mechanische Eigenschaften von Superlegierungen (Teilprojektleiter Eggeler, Gunther ;  Neuking, Klaus ;  Schreuer, Jürgen )
• A02 - Elementare Verformungsmechanismen der Hochtemperaturplastizität (Teilprojektleiter Eggeler, Gunther ;  Kostka, Aleksander ;  Somsen, Christoph )
• A03 - Hochtemperaturermüdung (Teilprojektleiterin Bartsch, Marion )
• A04 - Untersuchungen der lokalen Legierungs-zusammensetzung mit Hilfe der Atomsondentomographie (Teilprojektleiter Choi, Pyuck-Pa ;  Gault, Ph.D., Baptiste Jean Germain ;  Raabe, Dierk )
• A05 - Hochtemperaturoxidation einkristalliner Superlegierungen – Frühstadien und Elementarmechanismen (Teilprojektleiterin Virtanen, Sannakaisa )
• A06 - Mikro- und Nanomechanische Charakterisierung von Superlegierungen bei hohen Temperaturen (Teilprojektleiter Durst, Karsten ;  Göken, Mathias )
• A07 - Hochauflösende und analytische Elektronenmikroskopie (Teilprojektleiter Spiecker, Erdmann )
• B01 - Einkristalline Erstarrung mit verbesserter Mikrostruktur (Teilprojektleiterinnen / Teilprojektleiter Körner, Carolin ;  Rettig, Ralf )
• B02 - Additive Fertigung einkristalliner Superlegierungen (Teilprojektleiterinnen / Teilprojektleiter Körner, Carolin ;  Markl, Matthias )
• B03 - Einkristalline Co-Basis-Superlegierungen (Teilprojektleiter Göken, Mathias ;  Neumeier, Steffen )
• B04 - Druckunterstützte Wärmebehandlung einkristalliner Superlegierungen (Teilprojektleiterinnen / Teilprojektleiter Huth, Stephan ;  Mujica Roncery, Lais ;  Theisen, Werner )
• B05 - Kombinatorische Materialforschung - Thermodynamik, Kinetik und mechanische Eigenschaften von multinären Superlegierungs-Subsystemen (Teilprojektleiterinnen / Teilprojektleiter Frenzel, Jan ;  George, Ph.D., Easo P. ;  Ludwig, Alfred ;  Pfetzing-Micklich, Janine )
• B06 - Herstellung und Eigenschaften von Schutzschichtsystemen auf einkristallinen Superlegierungen (Teilprojektleiter Vaßen, Robert )
• B07 - Entstehung von Kristalldefekten (Teilprojektleiter Eggeler, Gunther ;  Frenzel, Jan ;  George, Ph.D., Easo P. )
• B08 - Hochentropielegierungen (HEL) mit chemischer Verwandtschaft zur γ-Phase (Teilprojektleiter Laplanche, Ph.D., Guillaume )
• C01 - Atomistische Modellierung der lokalen Elementverteilung und deren Einfluss auf Elemente der Mikrostruktur (Teilprojektleiter Drautz, Ralf ;  Hammerschmidt, Thomas )
• C02 - Diffusion und Defektwechselwirkungen in der γ/γ’-Mikrostruktur (Teilprojektleiterinnen / Teilprojektleiter Drautz, Ralf ;  Rogal, Jutta )
• C03 - Atomistische Simulationen elementarer Versetzungsprozesse in γ/γ’-Mikrostrukturen einkristalliner Superlegierungen: Einfluss von Temperatur und Zusammensetzung (Teilprojektleiter Bitzek, Erik )
• C04 - Mikrostrukturelles Kriechmodell für Superlegierungen unter komplexen thermomechanischen Beanspruchungen (Teilprojektleiter Hartmaier, Alexander ;  Ma, Anxin )
• C05 - Vorhersage der Eigenschaften von Ni- und Co-Basis Superlegierungen von der Erstarrung bis zum Versagen (Teilprojektleiter Steinbach, Ingo )
• C06 - Thermodynamik und Kinetik von Ni- und Co-Basis-Superlegierungen: Datenintegration und Weiterentwicklung von Datenbanken (Teilprojektleiterinnen / Teilprojektleiter Fries, Suzana Gomes ;  Steinbach, Ingo )
• C07 - Multikriterielle Berechnung optimaler Zusammensetzungen einkristalliner Superlegierungen (Teilprojektleiterinnen / Teilprojektleiter Körner, Carolin ;  Markl, Matthias ;  Rettig, Ralf )
• C08 - Mikromechanische Analyse von Versetzungsnetzwerken an dynamischen ɣ/ɣ’-Grenzflächen (Teilprojektleiter Stricker, Markus )
• T02 - Datenbasierte Eigenschaftsvorhersage für einkristalline Superlegierungen (Teilprojektleiterinnen / Teilprojektleiter Roslyakova, Irina ;  Steinbach, Ingo )
• T03 - Modellierung der thermomechanischen Ermüdung additiv gefertigter Bauteile (Teilprojektleiter Hartmaier, Alexander )
• T04 - Druckunterstützte Wärmebehandlungen von Superlegierungen in HIP-Anlagen mit Schnellkühlung (Teilprojektleiterinnen / Teilprojektleiter López Galilea, Ph.D., Inmaculada ;  Theisen, Werner )
• T05 - Schutzschichten und Reparaturmethoden (Teilprojektleiter Vaßen, Robert )
• Z - Zentrales Verwaltungsprojekt (Teilprojektleiter Eggeler, Gunther )
• Z01 - Bereitstellung von einkristallinen Ni- und Co-Basis-Superlegierungen: Planen, Erschmelzen, Erstarren, Charakterisieren (Teilprojektleiterinnen / Teilprojektleiter Körner, Carolin ;  Rettig, Ralf )

• Antragstellende Institution: Ruhr-Universität Bochum
• Mitantragstellende Institution: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
• Beteiligte Institution: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR); Forschungszentrum Jülich; Max-Planck-Institut für Nachhaltige Materialien GmbH (MPI SusMat)
• Sprecher: Professor Dr.-Ing. Gunther Eggeler