Systematische Untersuchungen zum Einfluss wichtiger Legierungselemente in Co-Basis und Co/Ni-Basis Superlegierungen: Thermophysikalische und mechanische Eigenschaften

A systematic study on the influence of key alloying elements in Co-base and Co/Ni-base superalloys: Thermo-physical and mechanical properties

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus4-96418
  • Entdeckt erst im Jahr 2006, stellen γ′-gehärtete Co-Basis Superlegierungen eine relativ junge Klasse unter den Strukturmaterialien dar. Durch den höheren Schmelzpunkt von Co im Vergleich zum traditionell verwendeten Basiselement Ni bergen sie das Potential, die maximale Betriebstemperatur und damit die Energieeffizienz moderner Gasturbinen zu erhöhen. Um Co-Basis Superlegierungen der Einsatzreife näher zu bringen, ist ein detailliertes Verständnis des Einflusses einzelner Legierungselemente auf das Eigenschaftsprofil dieser Legierungen unerlässlich. Unter Verwendung von systematischen Modelllegierungsserien werden die Auswirkungen wichtiger Legierungselemente auf dieEntdeckt erst im Jahr 2006, stellen γ′-gehärtete Co-Basis Superlegierungen eine relativ junge Klasse unter den Strukturmaterialien dar. Durch den höheren Schmelzpunkt von Co im Vergleich zum traditionell verwendeten Basiselement Ni bergen sie das Potential, die maximale Betriebstemperatur und damit die Energieeffizienz moderner Gasturbinen zu erhöhen. Um Co-Basis Superlegierungen der Einsatzreife näher zu bringen, ist ein detailliertes Verständnis des Einflusses einzelner Legierungselemente auf das Eigenschaftsprofil dieser Legierungen unerlässlich. Unter Verwendung von systematischen Modelllegierungsserien werden die Auswirkungen wichtiger Legierungselemente auf die Ausscheidungsanteile, Phasenstabilität und -zusammensetzungen, Umwandlungstemperaturen, Gitterfehlpassung sowie letztlich die mechanischen Eigenschaften von Co- und Co/Ni-Basis Superlegierungen untersucht. Unter anderem zeigt sich dabei, dass sich Ni-Basis und Co-Basis Superlegierungen in vielen Eigenschaften stark unterscheiden, obwohl sie den gleichen strukturellen Aufbau besitzen und die beiden Basiselemente hinsichtlich ihrer physikalischen Eigenschaften generell sehr ähnlich sind. Die anhand der Modellegierungsserien gewonnen Erkenntnisse konnten genutzt werden, um oxidationsbeständige, mehrkomponentige Co-Basis Superlegierungen mit verbesserten Kriecheigenschaften zu entwickeln. Das Eigenschaftsprofil der Legierungen ist vielversprechend für eine Anwendung in mittleren Temperaturbereichen, z.B. als Turbinenscheiben in stationären Gasturbinen oder Triebwerken.show moreshow less
  • First discovered in 2006, γ′-strengthened Co-base superalloys represent a very young class of structure materials. Due to their high melting point relative to the traditional base element Ni, they have the potential to increase the maximum service temperature of modern gas turbines and thus, the potential to improve energy efficiency. To approach commercial maturity, a detailed understanding of the alloying elements’ influence on the structure-property relationships is indispensable. Using a set of systematic model alloy series, the influence of key alloying elements on Co- and Co/Ni-base superalloys is examined in terms of precipitate fraction, phase stability and phase composition,First discovered in 2006, γ′-strengthened Co-base superalloys represent a very young class of structure materials. Due to their high melting point relative to the traditional base element Ni, they have the potential to increase the maximum service temperature of modern gas turbines and thus, the potential to improve energy efficiency. To approach commercial maturity, a detailed understanding of the alloying elements’ influence on the structure-property relationships is indispensable. Using a set of systematic model alloy series, the influence of key alloying elements on Co- and Co/Ni-base superalloys is examined in terms of precipitate fraction, phase stability and phase composition, transformation temperatures, lattice misfit and, ultimately, mechanical properties. One significant result is that Ni- and Co-base alloys can exhibit vastly different thermo-physical and mechanical properties despite having similar base elements and the same structural arrangement. The results of this work were utilized to inform the development of oxidation-resistant, multi-component Co-base superalloys with improved creep properties. The property profile of these alloys is promising for applications at intermediate temperatures, such as turbine wheels for stationary gas turbines and disks used in aircraft engines.show moreshow less

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Metadaten
Author:Christopher H. Zenk
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-96418
DOI:https://doi.org/10.25593/978-3-96147-085-3
ISBN:978-3-96147-085-3
Series (Volume number):FAU Forschungen, Reihe B, Medizin, Naturwissenschaft, Technik (19)
Publisher:FAU University Press
Place of publication:Erlangen
Referee:Mathias Göken, Gunther Eggeler
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2018
Embargo Date:2018/04/17
Publishing Institution:FAU University Press
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2017/07/25
Release Date:2018/04/18
Tag:CALPHAD (engl. calculation of phase diagrams); Co-Basis Superlegierung; Gitterfehlpassung; Kobaltbasis-Superlegierung; Kobaltbasissuperlegierung; Verteilungsverhalten
SWD-Keyword:Aushärtung; Cobaltlegierung; Differential scanning calorimetry; Durchstrahlungselektronenmikroskopie; Erstarrung; Hochtemperaturkriechen; Hochwarmfeste Legierung; Mikroseigerung; Neutronenbeugung; Phasenumwandlung; Rasterelektronenmikroskopie; Röntgenbeugung; Superlegierung; Synchrotronstrahlung; Thermodynamik; Thermomechanik; Thermomechanische Eigenschaft; Umwandlungstemperatur
Pagenumber:xix, 214
Note:
Parallel erschienen als Druckausgabe bei FAU University Press, ISBN: 978-3-96147-084-6
Institutes:Technische Fakultät / Department Werkstoffwissenschaften
Dewey Decimal Classification:Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften / Angewandte Physik
Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Chemische Verfahrenstechnik / Metallurgie
Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Industrielle Fertigung / Nichteisenmetalle
open_access (DINI-Set):open_access
Licence (German):Creative Commons - CC BY-NC-ND - Namensnennung - Nicht kommerziell - Keine Bearbeitungen 4.0 International