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Hochtemperaturwerkstoffe

Bildlink zum Forschungsbereich Hochtemperaturwerkstoffe

Die Arbeitsgruppe Hochtemperaturwerkstoffe beschäftigt sich mit der Materialentwicklung und der Prozesstechnik (Gießen und pulvermetallurgische Verfahren) von Hochtemperaturwerkstoffen, insbesondere von Nickelbasissuperlegierungen.

Mitarbeiterfoto Alexander Müller

Alexander Müller, Dipl.-Phys.

Mitarbeiterfoto Paul Git

Paul Git, Dipl.-Phys.

Mitarbeiterfoto Matthias Hofmeister

Matthias Hofmeister, Dipl.-Ing.

Mitarbeiterfoto Nils Ritter

Nils Ritter, M.Sc.

Mitarbeiterfoto Andreas Meyer

Andreas J. Meyer, M.Sc.

Beiträge in Fachzeitschriften

Beiträge bei Tagungen

Abschlussarbeiten

In B1 wird das Vakuumfeingießen von einkristallinen Ni-Basis-Superlegierungen mit einem Wirbelbett als Alternativprozess zur bisher verwendeten Flüssigmetallkühlung (Liquid Metal Cooling – LMC) entwickelt. Dadurch können die zwei wesentlichen Nachteile des LMC-Verfahrens überwunden werden: Korrosionsangriff der Zinnschmelze aufgrund von Formschalenrissen sowie die langfristig zu befürchtende Einschleppung von Zinn in die Superlegierungen.

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Ziel dieses Projekts ist es, die Möglichkeiten, die das selektive Elektronenstrahlschmelzen für die additive Herstellung von einkristallinen Superlegierungen eröffnet, zu eruieren. Insbesondere soll das Potenzial, das die prozessinhärente, rasche gerichtete Erstarrung hinsichtlich der Realisierung von ultra-feinen, homogenen Mikrostrukturen bietet, ausgeschöpft werden, um das Eigenschaftsspektrum der Superlegierungen weiter zu verbessern. Die Herausforderung besteht darin, den Aufbauprozess soweit theoretisch zu verstehen und dadurch gezielt führen zu können, dass ein einkristallines Gefüge entsteht.

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A new numerical tool will be explored that supports the experimental alloy developer in defining new compositions with potential for high strength. Starting with a composition space that is defined by the developer based on his metallurgical experience and his design goals, the numerical tool will propose the most promising compositions. The research program will on the one hand address open questions regarding the mathematical optimization in this application and on the other hand new models for predicting the relevant material properties.

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Das Serviceprojekt WSP ist mit der Bereitstellung der einkristallinen Ni- und Co-Basis-Superlegierungen für die Teilprojekte befasst. Zu den Aufgaben des Serviceprojekts gehören die Be-schaffung, der einkristalline Abguss, die Qualitätskontrolle sowie die Dokumentation des Probenmaterials. Um die für eine spätere Antragsperiode vorgesehene Werkstoffentwicklung vorzubereiten, soll außerdem ein Rechenwerkzeug entwickelt werden, das die Planung einer Zusammensetzungsmatrix für Reihenuntersuchungen von Legierungen auf eine rationale Grundlage stellt.

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Das Kernziel des Vorhabens ist ein verbessertes mechanistisches Verständnis der Heißrissbildung bei der Erstarrung von Nickelbasislegierungen. Die Ergebnisse können in einem eventuellen Nachfolgeprojekt zur Entwicklung neuer besser gießbarer Legierungssysteme genutzt werden. Auf Basis umfangreicher Vorarbeiten gehen wir von der Erkenntnis aus, dass die Restschmelze in gut gießbaren Legierungen lokalisiert vorliegt und nicht filmartig verteilt ist. Im Antragszeitraum soll unter Verwendung numerischer und experimenteller Methoden die Mikrostrukturbildung während der Abkühlung aus dem vollflüssigen Bereich für unterschiedliche Legierungszusammensetzungen untersucht werden. Die numerische Darstellung des transienten Erstarrungsvorganges innerhalb der Mehrkomponentensysteme erfolgt mit Hilfe der Phasenfeldmethode. Es soll untersucht werden, ob der Legierungseinfluss über die Grenzflächenenergie oder die Grenzflächenmobilität ausgeübt wird. Die experimentellen Arbeiten umfassen detaillierte metallographische Untersuchungen (SEM-FIB, Mikrosondenmessungen) und die Bestimmung der mechanischen Eigenschaften des erstarrenden dendritischen Netzwerkes anhand von Gleeble-Versuchen.

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Der Lehrstuhl WTM betreibt Legierungsentwicklung sowohl im Hinblick auf aktuelle technische Herausforderungen wie auch zu Klärung grundlegender wissenschaftlicher Fragestellungen. Dabei werden nummerische Tools basierend auf CALPHAD (Calculation of Phase Diagrams) Berechnungen sowie weitere Eigenschaftsmodellierungsansätze verwendet, um die thermomechanischen Anforderungen an die Werkstoffe abzubilden und in Bezug auf die gewünschten Eigenschaften zu optimieren. Dafür wurde speziell ein eigenes Programm, MultOpt, entwickelt. Grundsätzlich sind die potenziellen Ziellegierungen ein Kompromiss verschiedener relevanter Eigenschaften, die in Form von Pareto-Fronten dargestellt und je noch Priorität der Eigenschaften stärker zugunsten der entscheidenden Eigenschaft ausgewählt werden. Die numerisch bestimmte Legierung wird anschließend schmelzmetallurgisch hergestellt und mittels institutseigener Gießanlagen abgegossen. Die hergestellten Legierungen werden wärmebehandelt, wobei wiederum ein numerisches Tool, HeatOpt, eine Koppelung von CALPHAD mit der Phasenfeldmethode, zu Bestimmung geeigneter Wärmebehandlungsparameter eingesetzt wird. Weiterhin wird die Legierung bezüglich ihrer Mikrostruktur und mechanischer Eigenschaften charakterisiert. Die experimentell ermittelten Werte werden mit den vorher berechneten Werten verglichen und bei größerer Diskrepanz eine Anpassung der jeweiligen numerischen Modellbildung vorgenommen.

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Das Metallpulverspritzgießen (Metal Injection Moulding, MIM) ist ein endkonturnahes Formgebungsverfahren zur Herstellung geometrisch komplexer Bauteile, das die Vorteile der Sinterwerkstoffe mit der Möglichkeit der Formgebung der Kunststoffspritzgießtechnik kombiniert. Hierbei wird Metallpulver mit einer organischen Binderphase gemischt, erwärmt und analog zum Kunststoffspritzguss in eine Form gespritzt. Es folgt das Herauslösen der Binderphase mit Hilfe von Lösungsmitteln und/oder thermischer Prozessführung und die Verdichtung des Pulvers durch einen sich anschließenden Sinterschritt. Das Wegfallen aufwändiger Nachbearbeitungsschritte und die Materialeinsparung machen dieses Herstellungsverfahren nach derzeitigem Stand der Technik zu einer kostengünstigeren Alternative gegenüber konventionellen Fertigungsprozessen. Pulvermetallurgisch hergestellte Bauteile werden heute in nahezu allen Bereichen der Technik eingesetzt.

Die aktuellen Forschungsarbeiten konzentrieren sich auf das Metallpulverspritzgießen von Nickelbasis-Superlegierungen und Eisenbasis-ODS-Legierungen. Aufgrund ihrer herausragenden mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen und ihrer hohen Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit eignen sich diese beispielsweise für den Einsatz in stationären Gasturbinen und Flugzeugtriebwerken.

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Basierend auf Erfahrungen mit der Flüssigmetallkühlung (LMC-Prozess) wird für das Feingießen von Superlegierungen ein neues innovatives Kühlverfahren entwickelt, das auf einem Wirbelbett beruht (FCBC - Fluidized Carbon Bed Cooling). Im Vergleich zu kommerziellen Verfahren konnte gezeigt werden, dass FCBC über ein größeres Kühlpotential verfügt. In Kombination mit einem dynamischen Baffle kann ein höherer axialer Temperaturgradient erzielt werden. Ziele des Vorhabens sind ein tiefes Prozessverständis sowie Prozessoptimierung, die an einer Prototypengießanlage vollzogen wird. Eine weitere Motivation bildet das Potential zur Legierungsentwicklung, das sich durch die feinere Mikrostruktur der Gussteile ergibt.

Diese Arbeiten sind eingebettet im SFB/Transregio 103 (http://www.sfb-transregio103.de/).

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