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MET-Vortrag

3D µ-Tomographie-Analyse der Mikroporosität in Ni-Basis-Superlegierungen nach Hochtemperaturbehandlung

Freitag (20.09.2019)
09:30 - 09:50 Uhr Hamburg 1

Die Sicherheit von Flugzeugen ist stark von der Zuverlässigkeit ihrer Turbinenantriebe abhängig, wobei insbesondere deren kritische Komponenten, die Turbinenschaufeln, hohen Temperaturen und mechanischen Belastungen ausgesetzt sind. Für dieses Anforderungsprofil kommen Hochtemperaturwerkstoffe wie Nickel-Basislegierungen zum Einsatz. Herstellungsbedingt weisen als Einkristall erstarrte Nickel-Basislegierungen, z.B. CMSX-4 und CMSX-10, Mikroporosität auf. Unter zyklischer Belastung sind die Mikroporen Ausgangspunkte für Rissbildung, wodurch die Lebensdauer der Turbinenschaufeln kritisch reduziert wird. Die Mikroporosität lässt sich mittels Heiß-Isostatischem Pressen (HIP) beseitigen. Hierbei müssen die HIP-Parameter (Temperatur T, Druck p, Zeit t) präzise gewählt werden, um die vollständige Beseitigung der Porosität zu erreichen, eine Werkstoffschädigung zu vermeiden und die Prozesskosten zu minimieren. Für die Auswahl der HIP-Parameter wurde eigens ein physikalisches Simulationsmodell entwickelt. Die experimentelle Verifizierung des Modells erfolgte an der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF, Grenoble) mit hochenergetischer Synchrotronröntgenstrahlung mittels Absorptions- und Phasenkontrast-Mikrotomographie, wodurch die Mikroporosität einerseits und die Änderung der Phasenzusammensetzung der Werkstoffe andererseits analysiert wurden. Mit einer hochauflösenden sCMOS-camera (2048 x 2048 pixel) wurde eine Ortsauflösung von ca. 0,34³µm³/ voxel erreicht. Bereits der Ausgangszustand des Werkstoffs -entweder im Gusszustand bzw. homogenisiert bei der Temperatur T=1350°C und verschiedenen Zeiten t- zeigt Einfluss auf die Porosität sowie chemische Homogenität der Superlegierungen CMSX-4/ CMSX-10. Am Beispiel der Superlegierung CMSX-4 wird gezeigt, dass die Entwicklung der Porosität im Hinblick auf die Geometrie, Größe und Verteilung der Poren sowie die Änderung der Phasenzusammensetzung einerseits vom Werkstoffzustand vor dem HIP-Prozess (Gusszustand/ homogenisiert) und andererseits von den HIP-Parametern (T, t) selbst abhängig ist. Als Begleiterscheinung des HIP-Prozesses kommt es an Grenzflächen der Turbinenschaufel, wie z.B. einer Außenbeschichtung oder Lötstelle, zu Porenwachstum aufgrund von Diffusionsvorgängen via Kirkendall-Mechanismus. Bei der Werkstoffpaarung CMSX-10/ Ni ergibt sich hierfür ein Gradient sowie eine Zunahme der Porosität an der Grenzfläche aufgrund von Al-Diffusion.

Sprecher/Referent:
Dr.-Ing. Bettina Camin
Technische Universität Berlin
Weitere Autoren/Referenten:
  • Dr. Alexander Epishin
    Technische Universität Berlin
  • Jonas Schmidt
    Technische Universität Berlin
  • Prof. Dr. Walter Reimers
    Technische Universität Berlin
  • Dr. Inmaculada Lopez-Galilea
    Ruhr-Universität Bochum
  • Benjamin Ruttert
    Ruhr-Universität Bochum
  • Prof. Dr. Werner Theisen
    Ruhr-Universität Bochum