Einkristalline Superlegierungen

Einkristalline Superlegierungen sind metallische Werkstoffe, die unter extremen Bedingungen von Temperatur (oberhalb 1000°C) und Korrosion (Brenngase in einer Gasturbine) mechanischen Belastungen standhalten müssen. Sie werden als Schaufelwerkstoffe für Gasturbinen für Flugtriebwerke und für Kraftwerke eingesetzt. Es gibt derzeit keine andere Materialklasse, die einkristalline Superlegierungen auf Ni-Basis ersetzten könnte. Einkristalline Superlegierungen werden durch ein spezielles Abgussverfahren, dem Bridgmanprozess, im Vakuumfeinguss einkristallin hergestellt. Dadurch vermeidet man Korngrenzen, die im Hochtemperatureinsatz von Nachteil sind. Nach der Erstarrung erfolgt eine sehr sorgfältig überwachte Wärmebehandlung, die zur Entstehung der wohl berühmtesten Mikrostruktur in den Materialwissenschaften führt, zur γ/γʼ-Mikrostruktur. Diese besteht aus kleinen γʼ-Würfeln (geordnete intermetallische L12-Phase, etwa 80 Volumenprozent, typische Kantenlänge: 0,5 µm) die von engen γ-Kanälen getrennt werden (kubisch flächenzentriertes Gitter, etwa 20 Volumenprozent, typische Kanalbreite: 0,1 µm). In der modernen Einkristalltechnologie werden alle Fachkenntnisse der Werkstoffwissenschaft und –technik gebraucht. Man muss die Einkristallherstellung beherrschen. Dabei geht es um eine gezielte Einstellung von optimalen Mikrostrukturen. Gleichzeitig müssen Schutzschichten aufgebracht werden, die sowohl die Beständigkeit gegen Hochtemperatur-korrosion verbessern sollen als auch als Wärmedämmschutzschichten wirken müssen. Es geht um Legierungsentwicklung in einem Umfeld, in dem strategisch wichtige Legierungselemente knapper werden. Und man muss eine gute Kriech- und Ermüdungsfestigkeit sicherstellen. Dazu müssen aufwändige mechanische Experimente bei hoher Temperatur durchgeführt werden (Kriech- und Ermüdungsversuche). Von besonderer Wichtigkeit ist das Verständnis der Elementarprozesse, die die Strukturbildungsprozesse bei der Herstellung und die mikrostrukturellen Prozesse beim Werkstoffeinsatz bestimmen. Deshalb kommt den mikroskopischen Untersuchungsmethoden (Raster- und Durchstrahlungselektronenmikroskopie) eine besondere Bedeutung zu. An einkristallinen Superlegierungen auf Ni-Basis wird am Institut für Werkstoffe in einer Vielzahl von Projekten gearbeitet. Dabei geht es neben der Entwicklung neuer Legierungen auch um die Reparatur von Turbinenschaufeln, die man möglichst lange sicher nutzen möchte. Nicht zuletzt ist es auch wichtig, das mechanische Verhalten einkristalliner Superlegierungen durch geeignete Modellierungsmethoden vorhersagen zu können. Derzeit ist das Institut für Werkstoffe Zentrum des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten SFB/TR 103 (Vom Atom zur Turbinenschaufel – Wissenschaftliche Grundlagen für eine neue Einkristalltechnologie), in welchem viele Projekte mit der modernen Einkristalltechnologie befasst sind. Diejenigen Studierenden, die sich mit der Einkristalltechnologie befassen, finden oft gute Arbeits- und Aufstiegsmöglichkeiten bei Gasturbinenherstellern im In- und Ausland.
Forschen und Leben am Institut
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