Einfluss der Wandstärke auf das Kriechverhalten einkristalliner Nickelbasis-Superlegierungen – Experiment und Modellbildung

Aufgrund der hervorragenden mechanischen Hochtemperatureigenschaften finden einkristalline Nickelbasis-Superlegierungen weite Verbreitung als Werkstoff für hochbelastete Bauteile in Gasturbinen. Wegen dem in der Zukunft stetig steigenden Energiebedarf ist der Wirkungsgrad dieser Aggregate weiter zu optimieren. Eine Möglichkeit stellt hierbei die Verringerung der Wandstärke der schnell rotierenden Turbinenschaufeln dar, wodurch sowohl die Kühleffizienz gesteigert als auch die Masse reduziert werden kann.

Wie die Literatur zeigt, kann das Kriechverhalten von dünnen und dicken Strukturen nicht als identisch angesehen werden. Mit abnehmender Wandstärke weicht das Kriechverhalten dünner Strukturen vom Verhalten dicker Proben mit Querschnittsflächen > 20 mm² ab. Die Mehrheit der Autoren ordnet dieses Verhalten Umwelteinflüssen wie der Hochtemperaturoxidation zu. Die vorliegende Arbeit prüft, ob das abweichende Kriechverhalten dünner Strukturen durch ein physikalisch basiertes Modell auf Oxidationseinflüsse zurückgeführt werden kann. Vor diesem Hintergrund wurden an den einkristallinen Nickelbasis- Superlegierungen René N5 und M247LC SX Oxidationsversuche durchgeführt. Anhand der gewonnenen Untersuchungsergebnisse konnten folgende Einflussgrößen identifiziert werden:
• Verringerung des Last tragenden Querschnitts durch Oxidschichtbildung
• Einfluss der Oxidation auf die Matrix/?'-Mikrostruktur
• Kriechverhalten der Aluminiumoxidschicht
• Entstehung von Spannungen durch Oxidschichtbildung.