Welche Materialien werden zur Herstellung von Hochtemperaturlegierungen verwendet?

Das Kerngeheimnis hinter der stabilen Leistung von Hochtemperaturlegierungen in extremen Umgebungen von Hunderten bis über tausend Grad Celsius liegt in der sorgfältig konzipierten Materialzusammensetzung. Diese spezielle Legierung, die als "Industrievitamin" bekannt ist, ist keine einfache Kombination einzelner Elemente, sondern ein "Werkstoffverbund", der durch wissenschaftliches Dosieren des Grundmetalls mit mehreren Legierungselementen und durch Schmieden in komplexen Verfahren entsteht. Jede Komponente spielt eine einzigartige Rolle in seinem Leistungssystem.

Das Grundmetall ist das "Skelett" der Hochtemperaturlegierungen und bestimmt die grundlegenden Eigenschaften des Materials. Hochtemperaturlegierungen auf Nickelbasis bestehen hauptsächlich aus Nickel und machen mehr als 50% der Gesamtmenge aus. Die kubisch-flächenzentrierte Kristallstruktur von Nickel verleiht der Legierung eine ausgezeichnete Hochtemperaturstabilität, so dass sie selbst bei Temperaturen nahe dem Schmelzpunkt weniger zum Zusammenbruch der Kristallstruktur neigt. Dies ist auch der Hauptgrund, warum Nickelbasislegierungen in der Lage sind, Ultrahochtemperatur-Komponenten wie Turbinenschaufeln von Flugzeugtriebwerken zu verarbeiten. Hochtemperaturlegierungen auf Eisenbasis basieren auf Eisen und enthalten oft einen hohen Anteil an Chrom, was zu relativ niedrigen Kosten führt. Sie eignen sich für den Einsatz in Umgebungen mit mittleren Temperaturen von 600 bis 800 ℃, z. B. für Niederdruckturbinenteile in Gasturbinen. Hochtemperaturlegierungen auf Kobaltbasis werden aufgrund ihrer ausgezeichneten Temperaturwechselbeständigkeit und Verschleißfestigkeit häufig für Anwendungen verwendet, die häufige Temperaturschwankungen erfordern, wie z. B. die Düsenauskleidung von Raketentriebwerken.

Das genaue Verhältnis der Legierungselemente ist die "Würze" für die Leistung von Hochtemperaturlegierungen, die durch Synergieeffekte die umfassenden Fähigkeiten der Materialien verbessert. Chrom ist ein wesentliches Element in fast allen Hochtemperaturlegierungen. Durch die Bildung einer dichten Chromoxidschicht bildet es eine "Schutzschicht" für das Material, die der Hochtemperaturoxidation und der Gaskorrosion wirksam widersteht, wobei der Gehalt normalerweise zwischen 10% und 20% liegt. Wolfram, Molybdän und andere Refraktärmetalle sind wie "Stahlstäbe", die durch einen Mechanismus der Mischkristallverfestigung in die Matrix integriert werden, um die Hochtemperaturfestigkeit und Kriechbeständigkeit der Legierung zu verbessern. In einkristallinen Hochtemperaturlegierungen kann der Gesamtgehalt dieser Elemente mehr als 20% erreichen, so dass sie eine ausreichende Tragfähigkeit über 1100 ℃ aufweisen. Elemente wie Niob und Tantal wirken wie "Nieten", die mit Nickel intermetallische Verstärkungsphasen bilden, die gleichmäßig in der Matrix verteilt sind, den Kristallschlupf weiter einschränken und die Stabilität des Werkstoffs bei hohen Temperaturen verbessern. In der Legierung GH4169 beispielsweise erhöht der Zusatz von Niob den Anteil der Verstärkungsphasen auf etwa 30%, wodurch die mechanischen Eigenschaften der Legierung erheblich verbessert werden.

Der "letzte Schliff" durch Spurenlegierungselemente führt oft zu einem Leistungssprung. Obwohl der Zusatz des Elements Rhenium in der Regel 5% nicht übersteigt, kann es die Hochtemperaturfestigkeit und Kriechbeständigkeit von Einkristalllegierungen auf Nickelbasis erheblich verbessern und ist als "Schlüsselfaktor zur Verbesserung der Temperaturbeständigkeitsgrenze" bekannt. Es wird häufig in den Turbinenschaufeln der neuen Generation von Flugzeugtriebwerken verwendet. Elemente wie Bor und Zirkonium wirken als "Korngrenzenkleber", die sich an den Kristallgrenzen anreichern, die Korngrenzenbindung verstärken und den Korngrenzenschlupf bei hohen Temperaturen verringern, wodurch das Risiko eines Sprödbruchs des Materials reduziert wird. Das Element Kohlenstoff spielt eine diffusionsverstärkende Rolle an den Korngrenzen und innerhalb der Kristalle, indem es Karbidphasen bildet, die Festigkeit und Zähigkeit der Werkstoffe ausgleicht und die durch übermäßige Verstärkung verursachte Zunahme der Sprödigkeit vermeidet.

Neben den metallischen Elementen hängt die Leistung von Hochtemperaturlegierungen eng mit ihrer Mikrostruktur zusammen, die durch die Materialzusammensetzung und das Verfahren gemeinsam geprägt wird. Durch die Kontrolle der Größe, Verteilung und Morphologie von Verstärkungsphasen, wie der γ'-Phase (Ni3Al) in Nickelbasislegierungen, kann die Festigkeit erheblich verbessert werden, ohne die Plastizität zu verringern; durch Oxiddispersion verstärkte Legierungen führen nanoskalige Oxidpartikel ein, um die Versetzungsbewegung bei hohen Temperaturen zu hemmen, so dass das Material in Ultrahochtemperaturumgebungen stabil bleibt. Die Bildung dieser Mikrostrukturen hängt vom genauen Verhältnis zwischen Matrixmetall und Legierungselementen sowie vom Synergieeffekt der nachfolgenden Wärmebehandlungsprozesse ab.

Die Materialzusammensetzung von Hochtemperaturlegierungen ist eine Kunst des Gleichgewichts, von der Auswahl der Basismetalle bis zum Verhältnis der Legierungselemente - sie muss die Festigkeit bei hohen Temperaturen aufrechterhalten und gleichzeitig eine ausreichende Plastizität aufweisen; sie muss der Oxidationskorrosion widerstehen und gleichzeitig Sprödigkeit durch übermäßige Verstärkung vermeiden. Es ist genau diese komplexe und exquisite Zusammensetzung, die es den Hochtemperaturlegierungen ermöglicht, sich in extremen Umgebungen in der Luft- und Raumfahrt, im Energiebereich und in der Energieversorgung auszuzeichnen, und die sie zum "Eckpfeiler" der Werkstoffe macht, die High-End-Geräte dabei unterstützen, Leistungsgrenzen zu durchbrechen. Mit der Entwicklung der Werkstoffkunde wird das Verständnis für die Zusammensetzung von Hochtemperaturlegierungen weiter vertieft, und neue Elementkombinationen und Verstärkungsmechanismen treiben diese Spezialwerkstoffe kontinuierlich in Richtung höherer Temperaturbeständigkeitsgrenzen und besserer umfassender Leistungen.