Im Rahmen dieser Arbeit wurden mikrostrukturelle, chemische und thermo-mechanische Einflussfaktoren auf die mechanischen Eigenschaften von einkristallinen Co-Basis-Superlegierungen untersucht. Dafür wurden systematische Untersuchungen durchgeführt und die zu charakterisierenden Einflussfaktoren sukzessive variiert, sodass ein Einflussfaktor möglichst isoliert von anderen betrachtet werden konnte. Bei der Untersuchung einer Legierungsserie, bei der nur der γ‘ Ausscheidungsvolumenanteil, aber nicht die Phasenzusammensetzung variiert, wurde herausgefunden, dass der Härtungsbeitrag mit zunehmendem Ausscheidungsanteil steigt. Die Druck- und Druckkriechfestigkeit nimmt mit steigendem γ‘ Gehalt zu und erreicht sogar Festigkeitsbeiträge, die mit Ni-Basis-Superlegierungen vergleichbar sind. Dabei nimmt die Stabilität der zweiphasigen Mikrostruktur allerdings ab. An zwei multinären Legierungen wurde herausgefunden, dass die Größe der γ‘ Ausscheidungen einen signifikanten Einfluss auf die Kriechfestigkeit hat, deren Form und die Anordnung aber eher eine untergeordnete Rolle für das Verformungsverhalten spielen. Bei einer genaueren Charakterisierung des Kriechverhaltens mit doppeltem Dehnratenminimum wurde festgestellt, dass die gerichtete Vergröberung einen großen Einfluss auf die Ausprägung und Lage der Minima hat, aber auch die Verformungsmechanismen und Segregation von Elementen an Planardefekte nicht außer Acht gelassen werden dürfen.
Aktualisiert: 2023-06-29
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Im Rahmen dieser Arbeit wurden mikrostrukturelle, chemische und thermo-mechanische Einflussfaktoren auf die mechanischen Eigenschaften von einkristallinen Co-Basis-Superlegierungen untersucht. Dafür wurden systematische Untersuchungen durchgeführt und die zu charakterisierenden Einflussfaktoren sukzessive variiert, sodass ein Einflussfaktor möglichst isoliert von anderen betrachtet werden konnte. Bei der Untersuchung einer Legierungsserie, bei der nur der γ‘ Ausscheidungsvolumenanteil, aber nicht die Phasenzusammensetzung variiert, wurde herausgefunden, dass der Härtungsbeitrag mit zunehmendem Ausscheidungsanteil steigt. Die Druck- und Druckkriechfestigkeit nimmt mit steigendem γ‘ Gehalt zu und erreicht sogar Festigkeitsbeiträge, die mit Ni-Basis-Superlegierungen vergleichbar sind. Dabei nimmt die Stabilität der zweiphasigen Mikrostruktur allerdings ab. An zwei multinären Legierungen wurde herausgefunden, dass die Größe der γ‘ Ausscheidungen einen signifikanten Einfluss auf die Kriechfestigkeit hat, deren Form und die Anordnung aber eher eine untergeordnete Rolle für das Verformungsverhalten spielen. Bei einer genaueren Charakterisierung des Kriechverhaltens mit doppeltem Dehnratenminimum wurde festgestellt, dass die gerichtete Vergröberung einen großen Einfluss auf die Ausprägung und Lage der Minima hat, aber auch die Verformungsmechanismen und Segregation von Elementen an Planardefekte nicht außer Acht gelassen werden dürfen.
Aktualisiert: 2023-06-29
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Im Rahmen dieser Arbeit wurden mikrostrukturelle, chemische und thermo-mechanische Einflussfaktoren auf die mechanischen Eigenschaften von einkristallinen Co-Basis-Superlegierungen untersucht. Dafür wurden systematische Untersuchungen durchgeführt und die zu charakterisierenden Einflussfaktoren sukzessive variiert, sodass ein Einflussfaktor möglichst isoliert von anderen betrachtet werden konnte. Bei der Untersuchung einer Legierungsserie, bei der nur der γ‘ Ausscheidungsvolumenanteil, aber nicht die Phasenzusammensetzung variiert, wurde herausgefunden, dass der Härtungsbeitrag mit zunehmendem Ausscheidungsanteil steigt. Die Druck- und Druckkriechfestigkeit nimmt mit steigendem γ‘ Gehalt zu und erreicht sogar Festigkeitsbeiträge, die mit Ni-Basis-Superlegierungen vergleichbar sind. Dabei nimmt die Stabilität der zweiphasigen Mikrostruktur allerdings ab. An zwei multinären Legierungen wurde herausgefunden, dass die Größe der γ‘ Ausscheidungen einen signifikanten Einfluss auf die Kriechfestigkeit hat, deren Form und die Anordnung aber eher eine untergeordnete Rolle für das Verformungsverhalten spielen. Bei einer genaueren Charakterisierung des Kriechverhaltens mit doppeltem Dehnratenminimum wurde festgestellt, dass die gerichtete Vergröberung einen großen Einfluss auf die Ausprägung und Lage der Minima hat, aber auch die Verformungsmechanismen und Segregation von Elementen an Planardefekte nicht außer Acht gelassen werden dürfen.
Aktualisiert: 2023-06-29
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Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Serie von anwendungsnahen, γ′ gehärteten Co-Basis Schmiedelegierungen entwickelt und harakterisiert. Optimierte Wärmebehandlungen führten für alle Legierungen zur Ausbildung einer γ/γ′-Mikrostruktur, welche bi- oder tridisperse γ′-Teilchenverteilungen aufwies und einen möglichst hohen Härtungsbeitrag lieferte. Durch das Einbringen von orngrenzenpinnenden intermetallischen Phasen konnte die Korngröße auch bei hohen Anwendungstemperaturen stabil gehalten werden. Die Druckfestigkeit der Legierungen lag auf vergleichbarem Niveau wie die von Ni-basierten Schmiedelegierungen. Insbesondere bei Temperaturen über 750 °C sind die Co-Basis Schmiedelegierungen stabiler hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften und weisen in Relation höhere Festigkeiten auf. Besonders gute mechanische Stabilität zeigten die untersuchten Legierungen unter Kriechbelastung, wo teilweise um zwei Größenordnungen niedrigere Kriechraten erzielt wurden als für vergleichbare etablierte Ni-Basis Schmiedelegierungen. Untersuchungen der vorliegenden Verformungsmechanismen zeigten, dass in den Co-Basis Schmiedelegierungen Mikroverzwillingung der dominante Verformungsmechanismus ist. Mit Hilfe von hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie konnte nachgewiesen werden, dass das Wachstum der Zwillinge durch das Gleiten von einzelnen Shockley-Partialversetzungen erfolgt, was durch Segregationsprozesse an der Zwillingsgrenze unterstützt wird. Durch eine umfassende Analyse verschiedener mikrostruktureller Parameter wie der Korngröße, der γ′-Teilchengrößenverteilung und des γ′–Volumenanteils und der Gitterfehlpassung sowie der elementaren Zusammensetzung von γ- und γ′-Phasen konnten die Festigkeitsbeiträge in den Legierungen abgeschätzt werden.
Aktualisiert: 2020-09-10
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Das Ziel dieser Arbeit war es, mithilfe von mikromechanischen Methoden ein besseres Verständnis über mikrostrukturelle Inhomogenitäten und den Auswirkungen von Legierungselementen auf die mechanischen Eigenschaften von Nickel- und Kobaltbasis-Superlegierungen zu erlangen. Gerade bei Superlegierungen sind mikrostrukturelle Inhomogenitäten auf unterschiedlichen Längenskalen zu finden. Somit bestimmen beispielsweise Gusssegregationen, Korngrenzen, die γ und γʹ-Phasen, und auch weitere Phasen wie Boride maßgeblich die mechanischen Eigenschaften.
Moderne mikromechanische Methoden erlauben die Untersuchung der mechanischen Eigenschaften auf den unterschiedlichsten Längenskalen von Superlegierungen. Mikrostrukturelle Bestandteile, wie etwa einzelne γʹ-Ausscheidungen, können sogar bis in den Nanometerbereich mechanisch charakterisiert werden. Ein Fokus dieser Arbeit lag auf der Charakterisierung von Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen, die möglichst nah an den Einsatztemperaturen liegen. In der vorliegenden Arbeit konnten bei Temperaturen von bis zu 785 °C zuverlässige Daten bestimmt werden. Eng gekoppelt mit den lokalen mechanischen Tests ist die mikrostrukturelle Charakterisierung, um Rückschlüsse auf das zugrunde liegende Verformungsverhalten zu ziehen.
Die in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse können daher für eine weitere Legierungsentwicklung und Optimierung dienen, um die Einsatztemperaturen von Nickelbasis-Superlegierungen weiter zu erhöhen, und Kobaltbasis-Superlegierungen einen Schritt weiter in Richtung Anwendung zu bringen.
Aktualisiert: 2020-09-10
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First discovered in 2006, γ′-strengthened Co-base superalloys represent a very young class of structure materials. Due to their high melting point relative to the traditional base element Ni, they have the potential to increase the maximum service temperature of modern gas turbines and thus, the potential to improve energy efficiency. To approach commercial maturity, a detailed understanding of the alloying elements’ influence on the structure-property relationships is indispensable.
Using a set of systematic model alloy series, the influence of key alloying elements on Co- and Co/Ni-base superalloys is examined in terms of precipitate fraction, phase stability and phase composition, transformation temperatures, lattice misfit and, ultimately, mechanical properties. One significant result is that Ni- and Co-base alloys can exhibit vastly different thermo-physical and mechanical properties despite having similar base elements and the same structural arrangement.
The results of this work were utilized to inform the development of oxidation-resistant, multi-component Co-base superalloys with improved creep properties. The property profile of these alloys is promising for applications at intermediate temperatures, such as turbine wheels for stationary gas turbines and disks used in aircraft engines.
Aktualisiert: 2020-01-07
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