Auswirkungen von Rhenium und Ruthenium auf die Mikrostruktur und Hochtemperaturfestigkeit von Nickel-Basis Superlegierungen unter Berücksichtigung der Phasenstabilität

Influence of Rhenium and Ruthenium on the microstructure and high temperature strength of nickel base superalloys under consideration of the phase stability

  • Limitierte Ressourcen an fossilen Brennstoffen und eine CO2-bedingte Klimaerwärmung rücken die Entwicklung effizienter und umweltfreundlicher Technologien zunehmend in den Vordergrund. Aufgrund zusätzlich steigender Bevölkerungszahlen und dem zunehmenden Energiebedarf aufstrebender Schwellenländer ist deshalb die Effizienzsteigerung bei der Stromerzeugung durch Gas- und Dampfkraftwerke von essentieller Bedeutung. Ein maßgeblicher Beitrag zur Steigerung des Wirkungsgrades kann hierbei durch die Erhöhung der Gaseinlasstemperatur in die Turbine erreicht werden. Diese Doktorarbeit beschäftigt sich mit der Werkstoffentwicklung von Nickel-Basis Superlegierungen für Turbinenschaufeln der vorderstenLimitierte Ressourcen an fossilen Brennstoffen und eine CO2-bedingte Klimaerwärmung rücken die Entwicklung effizienter und umweltfreundlicher Technologien zunehmend in den Vordergrund. Aufgrund zusätzlich steigender Bevölkerungszahlen und dem zunehmenden Energiebedarf aufstrebender Schwellenländer ist deshalb die Effizienzsteigerung bei der Stromerzeugung durch Gas- und Dampfkraftwerke von essentieller Bedeutung. Ein maßgeblicher Beitrag zur Steigerung des Wirkungsgrades kann hierbei durch die Erhöhung der Gaseinlasstemperatur in die Turbine erreicht werden. Diese Doktorarbeit beschäftigt sich mit der Werkstoffentwicklung von Nickel-Basis Superlegierungen für Turbinenschaufeln der vordersten Laufreihe, welche höchsten thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt sind. Das Ziel der Arbeit ist es, zum Verständnis der Auswirkung der beiden Legierungselemente Re und Ru beizutragen, welche sowohl die Hochtemperaturfestigkeit als auch die Phasenstabilität des Materials entscheidend bestimmen. Um die Materialeinflüsse der oftmals mehr als zehn Elemente umfassenden Legierungen eindeutig auf Re und Ru zurückführen zu können, wurde dazu im Gegensatz zu bisherigen Arbeiten eine auf Atomprozentbasis systematisch abgestufte Legierungsserie entwickelt. Der Umfang der Untersuchungen dieser Legierungen erstreckt sich vom Erstarrungsprozess über die Wärmebehandlung hin zu Hochtemperaturkriecheigenschaften und Phasenstabilitätsanalysen, um umfassende Zusammenhänge aufzeigen zu können. Als Resultat ließen sich daraus unter anderem ein möglicher Ansatz für weiterführende Entwicklungen auf Simulationsbasis und eine Steigerung des Wirkungsgrades pro Legierungsanteil Re und Ru ableiten. In Bezug auf die Phasenstabilität des Materials ist es durch einen neuen analytischen Ansatz erstmals gelungen ein Modell für die Ursache der reduzierten Sprödphasenbildung durch Ru zu erstellen.show moreshow less
  • The shortage in fossil fuel resources and the global warming due to CO2-emmisions increasingly attract the demand of efficient and environmentally friendly technologies. As a result of the additionally rising world population and the progressive energy requirement in emerging markets, the further efficiency improvement of power generation by combustion turbines is thus of essential importance. Hereby, a significant contribution can be achieved by the elevation of the efficiency factor due to an ascent of the turbine gas inlet temperature. This thesis is engaged with the material development of nickel-base superalloys for turbine blades in the forefront turbine stage, which encounter most sigThe shortage in fossil fuel resources and the global warming due to CO2-emmisions increasingly attract the demand of efficient and environmentally friendly technologies. As a result of the additionally rising world population and the progressive energy requirement in emerging markets, the further efficiency improvement of power generation by combustion turbines is thus of essential importance. Hereby, a significant contribution can be achieved by the elevation of the efficiency factor due to an ascent of the turbine gas inlet temperature. This thesis is engaged with the material development of nickel-base superalloys for turbine blades in the forefront turbine stage, which encounter most significant thermal and mechanical impact. The work is contributed to the influence of the two alloying elements Re and Ru, which decisively affect the high temperature strength and phase stability of the material. To enable an investigation which clearly ascribes the element influence of Re and Ru among the mostly more than ten elements containing alloys, a new alloy series was developed, which - in contrast to other studies - is systematically graduated on atomic percent based compositions. The scope of the work ranges from the element influence on solidification and heat treatment processes to high temperature creep properties and phase stability to allow a comprehensive correlation. As an outcome among other things, a suggestion for further alloy development based on simulation tools and a possible efficiency improvement per amount of Re and Ru could be deduced. In respect of the phase stability of the material success was achieved by a new analytical approach, leading to a model based explanation for the stabilizing influence of Ru.show moreshow less

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Metadaten
Author:Astrid K. Heckl
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-27908
Advisor:Robert F. Singer
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2011/09/07
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2011/03/29
Release Date:2011/09/07
Tag:high temperature strength; nickel-base superalloys; phase stability; rhenium; ruthenium
SWD-Keyword:Hochtemperaturfestigkeit; Nickel-Basis Superlegierungen; Phasenstabilität; Rhenium; Ruthenium
Institutes:Technische Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten

$Rev: 12793 $