Auswirkungen der Elemente B, Zr und C auf die Korngrenzenrissbildung einer gerichtet erstarrten Nickelbasis-Superlegierung

Effect of B, Zr, and C on grain boundary cracking of a directionally solidified nickel-based superalloy

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus4-90811
  • Im Verlauf der letzten Jahrzehnte wurde die Effizienzsteigerung von Gasturbinen insbesondere im Heißgasbereich durch Verbesserungen der eingesetzten Werkstoffe, der Beschichtungssysteme sowie der Schaufelkühlung realisiert. Die zunehmende Komplexität der innengekühlten und damit dünnwandigen Lauf‐ und Leitschaufeln stellt immer höhere Anforderungen an den Feingussprozess, weil Gussfehler die Ausbringung beeinflussen. Korngrenzenrisse stellen bei Bauteilen aus konventionell vergossenen oder gerichtet erstarrten Nickelbasis‐Superlegierungen ein wichtiges Problem dar, weil sie die Werkstoffauswahl und die Designfreiheit stark einschränken. Diese Doktorarbeit beschäftigt sich mitIm Verlauf der letzten Jahrzehnte wurde die Effizienzsteigerung von Gasturbinen insbesondere im Heißgasbereich durch Verbesserungen der eingesetzten Werkstoffe, der Beschichtungssysteme sowie der Schaufelkühlung realisiert. Die zunehmende Komplexität der innengekühlten und damit dünnwandigen Lauf‐ und Leitschaufeln stellt immer höhere Anforderungen an den Feingussprozess, weil Gussfehler die Ausbringung beeinflussen. Korngrenzenrisse stellen bei Bauteilen aus konventionell vergossenen oder gerichtet erstarrten Nickelbasis‐Superlegierungen ein wichtiges Problem dar, weil sie die Werkstoffauswahl und die Designfreiheit stark einschränken. Diese Doktorarbeit beschäftigt sich mit der Optimierung der chem. Zusammensetzung dieser Superlegierungen. Ziel der Arbeit ist es, ein Verständnis zur Wirkungsweise von Legierungselementen auf die Spannungs‐ und Erstarrungsrissbildung abzuleiten und verbesserte Legierungszusammensetzungen vorzuschlagen. Es konnte gezeigt werden, dass die Gießbarkeit einer Superlegierung sehr stark von den korngrenzenaktiven Elementen C, Zr, B, und Hf abhängt. Bei der Erstarrung seigern diese Elemente in die Flüssigphase und beeinflussen maßgeblich die Konzentration der Restschmelze am Ende der Erstarrung in der „Filmphase“, wenn die semiliquide Struktur auftretende Dehnungen nicht mehr durch Nachspeisung und noch nicht über viskoplastische Verformung kompensieren kann. Es konnte gezeigt werden, dass je nach Konzentration an korngrenzenaktiven Elementen sowohl Erstarrungsrisse als auch Spannungsrisse auftreten können. Um Spannungsrisse zu vermeiden, sollte vor allem etwas B in der Legierung enthalten sein. Als Abhilfe gegen Erstarrungsrisse wurde ein wichtiger Zusammenhang zwischen dem Zr‐Gehalt sowie dem Gehalt an ƴ/ƴ‘‐Eutektikum und der Erstarrungsrissbildung abgeleitet. Gut gießbare Superlegierungen enthalten demnach etwas B, jedoch aber wenig bis kein Zr und zeichnen sich durch einen geringen Anteil an ƴ/ƴ‘‐Eutektikum aus. Eine alternative Legierungsstrategie mit hohen Anteilen an ƴ/ƴ‘‐Eutektikum ist ebenfalls möglich. Korngrenzenaktive Elemente beeinflussen die Korngrenzenenergie und damit die Korngrenzenkohäsion sowie Anfälligkeit gegen Rissbildung.show moreshow less
  • Over the last decades, the increase in operating efficiency of gas turbines was achieved mainly in the hot‐gas section by continuous improvements of the used materials, coatings and airfoil cooling schemes. The increasing complexity of the cooled thin‐walled blades and vanes inherently impedes the manufacturability and increases the efforts and challenges to develop a good investment casting process with an acceptable and therefore economical casting yield. The phenomenon of grain boundary cracking is an important problem since the design freedom and the respective material selection can be very restricted, especially for certain alloys. This thesis is about the optimization of theOver the last decades, the increase in operating efficiency of gas turbines was achieved mainly in the hot‐gas section by continuous improvements of the used materials, coatings and airfoil cooling schemes. The increasing complexity of the cooled thin‐walled blades and vanes inherently impedes the manufacturability and increases the efforts and challenges to develop a good investment casting process with an acceptable and therefore economical casting yield. The phenomenon of grain boundary cracking is an important problem since the design freedom and the respective material selection can be very restricted, especially for certain alloys. This thesis is about the optimization of the chemical composition of a nickel‐based superalloy. The goal is to understand the effects of certain elements on hot tearing and stress relief cracking and to propose optimized alloy compositions. It was found that an important improvement in castability can be achieved by adjusting the elemental composition, especially of the elements C, Zr, B and Hf. These elements partition to the liquid phase and influence strongly its chemical composition. The impact is very high towards the end of the solidification in the “film phase”, when feeding becomes too restricted to compensate for the casting stains, while the mechanical properties of the semiliquid structure are still very low. In this temperature range, hot tears can develop very easily. Depending of the alloy chemistry, hot tears or stress relief cracks can be observed. To counteract stress relief cracking, the presence of B is indispensable. Hot tearing is found to occur at high ƴ/ƴ‘‐eutectic fractions and/or high Zr contents. Castable alloys therefore contain low contents of B, low contents or no Zr and small fractions of ƴ/ƴ‘‐eutectic. An alternative alloying strategy with high fractions of ƴ/ƴ‘‐eutectics is possible as well. The minor elements control the grain boundary energies and therefore the grain boundary coherence and susceptibility to grain boundary cracking during or after solidification.show moreshow less

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Metadaten
Author:Jacek L. Grodzki
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-90811
DOI:https://doi.org/10.25593/978-3-96147-071-6
ISBN:978‐3‐96147‐071‐6
Series (Volume number):FAU Studien Materialwissenschaft und Werkstofftechnik (18)
Publisher:FAU University Press
Place of publication:Erlangen
Referee:Robert F. Singer, Uwe Glatzel
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2017
Embargo Date:2017/12/12
Publishing Institution:FAU University Press
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2017/04/25
Release Date:2017/12/14
Tag:Erstarrungsverlauf; Gießbarkeitstest; Grenzflächenenergie; Korngrenzenkohäsion; Korngrenzenriss; Korngrenzenzusammensetzung; Minorelemente
Hot tearing; castability test; directional solidification; grain boundary chemistry; grain boundary cohesion; grain boundary cracking; grain boundary energy; interfacial energy; last stage solidification; minor elements; superalloys
SWD-Keyword:Feinguss; Gerichtete Erstarrung; Heißriss; Korngrenze; Korngrenzenenergie; Spannungsriss; Superlegierung; Wachsausschmelzungsverfahren; Warmriss
Pagenumber:X, 161 S.
Note:
Parallel erschienen als Druckausgabe bei FAU University Press, ISBN: 978‐3‐96147‐070‐9
Institutes:Technische Fakultät / Department Werkstoffwissenschaften
Dewey Decimal Classification:Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften / Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
open_access (DINI-Set):open_access
Collections:Universität Erlangen-Nürnberg / FAU University Press
Licence (German):Creative Commons - CC BY-NC-ND - Namensnennung - Nicht kommerziell - Keine Bearbeitungen 3.0