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Institut für Energie- und Klimaforschung

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Ni-Basis-Superlegierungen für stationäre Gasturbinen und Flugtriebwerke

In modernen wirkungsgradoptimierten Flugtriebwerken ist der Einsatz einkristallin erstarrter Ni-basis-Superlegierungen seit mehr als einem Jahrzehnt Stand der Technik.

Rissbildung in einer unbeschichteten Probe aus einer Ni-Gusslegierung nach Out-of-Phase TMF-BeanspruchungRissbildung in einer unbeschichteten Probe aus einer Ni-Gusslegierung nach Out-of-Phase TMF-Beanspruchung

Auch in Industriegasturbinen für die Elektrizitätsgewinnung in Einzelanlagen oder in Gas- und Dampf-Kombikraftwerken gelangen diese Werkstoffe trotz der hier wesentlich größeren Schaufelabmessungen zunehmend zum Einsatz.

Die Forschungsarbeiten der Abteilung "Werkstoffmechanik" auf diesem Gebiet umfassen die Charakterisierung des Verformungsverhaltens (auch unter Berücksichtigung der Kristallorientierung) bei isothermen und thermo- mechanischen Ermüdungsbelastungen und deren Korrelation zur Entwicklung der Mikrostruktur, insbesondere der verfestigenden Ausscheidungen.

Weiterhin werden thermisch und mechanisch hochbeanspruchte Bauteile wie die Schaufeln der vorderen Leit- und Laufreihen nicht ohne metallische Korrosionsschutzschichten eingesetzt. Die Schutzwirkung der Schichten, die häufig vom Typ MCrAlY (M=Ni und/oder Co) sind, beruht auf dem langsamen Aufwachsen dichter, gut haftender Aluminiumoxidschichten, welche die notwendige Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit der Schaufel gewährleisten. Die Ermüdungslebensdauer der Schaufel kann durch die Korrosionsschutzschicht jedoch deutlich beeinflusst und in vielen Fällen reduziert werden. Ursache hierfür ist vor allem die geringe Duktilität der Schichten bei niedrigen Temperaturen, die bei Vorliegen von Zugspannungen zu einer beschleunigten  Schädigung führt.

Im Rahmen eines BMWI-geförderten Verbundvorhabens wurde die Auswirkung unterschiedlicher Korrosionsschutzschichtsysteme (MCrAlY-Schichten und MCrAlY/NiAl-Duplexschichten) auf die Schädigungsprozesse und  Lebensdauer einer Ni-Gusslegierung bei TMF-Beanspruchung bestimmt.  Auf dem Basis der Versuchsergebnissen wird ein dehnungsbasiertes Vorhersagemodell für den Schichteinfluss auf die Lebensdauer bei TMF-Belastung entwickelt.

Beschleunigte Rissausbreitung ins Substrat aufgrund der kleinen Verzweigung an der Grenzfläche in einer duplex-beschichteten Probe (Schichtvariante II)  nach Out-of-Phase TMF-BeanspruchungBeschleunigte Rissausbreitung ins Substrat aufgrund der kleinen Verzweigung an der Grenzfläche in einer duplex-beschichteten Probe (Schichtvariante II) nach Out-of-Phase TMF-Beanspruchung


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