Mikrostruktur und Kriecheigenschaften dendritisch erstarrter Nickelbasislegierungen über einen großen Bereich von Abkühlraten

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Uwe Glatzel
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Computergestütztes Werkstoffdesign und Simulation von Werkstoffverhalten von atomistischer bis mikroskopischer Skala ; Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 515779084

Hohl gegossene Turbinenschaufeln mit Wandstärken unter 1 mm führen zu einer Effizienzsteigerung, Gewichts- und Rohstoffeinsparung. Aktuell kommen an den Hinterkanten der Schaufeln Wandstärken bis hinunter zu 0,2 mm zum Einsatz. In der ersten Phase des Projektes wurde eine Prozessroute zur Herstellung einkristalliner Proben aus einer Nickelbasislegierung mit Wandstärken bis 0,4 mm etabliert. Dabei wurde eine Abhängigkeit des primären Dendritenabstands von der Geometrie der Gussstücke, sowie eine ausgeprägte Richtungsabhängigkeit der Dendritenabstände beobachtet. Ziel der zweiten Phase des Projektes ist es, durch eine Kombination aus experimenteller Arbeit und einer Multiskalen-Simulationskette, die dendritische Erstarrung dünnwandiger Einkristalle zu untersuchen und zu verstehen. Außerdem wird der Einfluss der dendritischen Seigerung auf die Kriecheigenschaften bei 980°C untersucht. Für die Durchführung dieses Projektes werden zwei Wissenschaftliche Mitarbeiter/innen für je 36 Monate beantragt. Im Bridgman-Verfahren werden dünnwandige (bis 0,4 mm) und zylindrische Proben (Durchmesser 15 mm) bei unterschiedlichen Abzugsgeschwindigkeiten einkristallin gezüchtet. Es sollen Dendritenabstände von kleiner 100 µm bis größer 1000 µm erzielt werden. Begleitend werden durch Finite-Elemente-Simulationen des Gussprozesses, die lokale Temperaturverteilung im Bauteil, sowie die Form der Erstarrungszone bestimmt. Diese Parameter bestimmen die lokale Verteilung der Dendriten. Die Seigerungsmikrostruktur wird experimentell mit Licht-, Raster- und vereinzelt Transmissionselektronenmikroskopie sowie durch Energiedispersive-Röntgenspektroskopie ermittelt. In Phasenfeldstudien soll, ausgehend von den simulierten Temperaturfeldern, die Seigerungsmikrostruktur nachvollzogen werden. Die Dendritenabstände und die Seigerungskoeffizienten der Elemente aus Experiment und Simulation werden verglichen. Ausgehend von existierenden Erkenntnissen über die Einstellung der Dendritenabstände, soll ein Modell für inhomogene Temperaturverteilungen aufgestellt werden. Aus den gegossenen Proben werden Kriechproben gefertigt, welche bei 980°C unter Vakuum getestet werden. Es soll untersucht werden, wie sich Restseigerungen mit unterschiedlichem Dendritenabstand auf das Kriechverhalten der Legierungen auswirken. Gezielte Transmissionselektronenmikroskopische Untersuchungen der lokalen Versetzungsdichte sollen klären, wie sich die Kriecheigenschaften zwischen dendritischem und interdendritischem Bereich unterscheiden. Die Kriecheigenschaften der gegossenen Proben werden durch Finite-Elemente-Simulationen der Kriechversuche erklärt. Dazu werden die lokalen Kriecheigenschaften von dendritischem und interdendritischem Bereich durch Variation der Parameter eines phänomenologischen Kriechmodells angenähert. Die lokale Verformung des Gefüges aus Dendrit und interdendritischem Bereich wird in der Simulation mit den experimentell ermittelten lokalen Versetzungsdichten validiert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen