Kriechverhalten einkristalliner dünn gegossener Strukturen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Uwe Glatzel
• Fachliche Zuordnung: Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 374400892

Zur Effizienssteigerung von Turbinen ist man bestrebt die Gaseinlasstemperatur zu erhöhen, sowie Turbinenbauteile gewichtssparend zu gestalten. Durch Einbringen von Kühlkanälen und filigranen Strukturen kann diesen Anforderungen begegnet werden. Allerdings ergeben sich dadurch Bereiche innerhalb der Bauteile, welche dünne Materialquerschnitte aufweisen. Untersuchungen zeigen, dass die Kriechbeständigkeit von Nickelbasis-Superlegierungen mit abnehmender Wandstärke sinkt. In der Regel wurden die Untersuchungen an Kriechproben mit mechanisch bearbeiteter Oberfläche gemacht, obwohl in der realen Anwendung die Oberflächen kaum mechanisch nachbearbeitet werden, oder zwangsläufig unbearbeitet bleiben müssen (innere Hohlstrukturen). Für die Vorhersage der Lebensdauer von unter Kriechverformung belasteten dünnen Strukturen aus Nickelbasis-Superlegierungen ist es daher von entscheidender Bedeutung zu wissen, ob die Ergebnisse von dünn gegossenen Proben mit denen von mechanisch nachbearbeiteten Proben vergleichbar sind. In dem beantragten Projekt, welches diese Problematik ausführlich behandelt, ergeben sich drei zentrale Fragestellungen.a) Wie groß ist der Einfluss dünner Wandstärken auf die Kriechbeständigkeit von in Endkontur gegossenen Proben im Vergleich zu Proben, die aus dem Vollen präpariert wurden? Was sind die maßgebenden Einflussfaktoren?b) Gibt es einen Unterschied in der Gussstruktur bei dünner werdender Wandstärke? Unterscheiden sich die Dendritenstruktur und die Gammastrich-Ausscheidungen in oberflächennahen Bereichen von denen im Inneren des Gusses?c) Kommt es bei der Einkristallerstarrung dünner Wandstärken zu einer Anreicherung von Elementen an der Oberfläche, die das Oxidationsverhalten und somit das Kriechverhalten positiv oder negativ beeinflussen?Um diese Fragestellungen beantworten zu können sollen an der lehrstuhleigenen Feingussanlage einkristalline Abgüsse mit der Beispiellegierung MAR M247 mit einer minimalen Wandstärke von 0,3 mm hergestellt werden. Aus den Abgüssen sollen mittels Drahterosion die Kriechproben herauspräpariert werden, welche an Luft und unter Ar-H2 (Minimierung des Einflusses der Atmosphäre) getestet werden. Danach erfolgt der Vergleich mit aus dem Vollen präparierten und getesteten Proben. Mikrostrukturuntersuchungen, die sich vor allem auf die oberflächennahen Bereiche konzentrieren, sollen Aufschluss über beobachtete Unterschiede geben. Dabei ist der für den Einkristallguss typische Dendritenstammabstand von 0,2-0,5 mm von Bedeutung, welcher in der Größenordnung der angestrebten Probendicke (0,3-0,7 mm) liegt. Variierende Erstarrungsgeschwindigkeiten, welche zu unterschiedlichen Dendritenstammabständen führen, sollen Aufschluss geben, wie sich die Guss- bzw. Dendritenstruktur durch die Nähe zur Formschalenwand in oberflächennahen Bereichen ändert und ob die dadurch entstehenden Seigerungen Auswirkungen auf die spätere Ausbildung der Matrix/Gammastrich-Mikrostruktur und das Oxidationsverhalten haben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: Wärmeleitfähigkeitsmessgerät
• Gerätegruppe: 8690 Sonstige Meßgeräte für thermische Größen (außer 860-868)