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MLZ

Lichtenbergstr.1
85748 Garching

Neutronensonden liefern einen entscheidenden Beitrag
zur Weiterentwicklung der Co-Re-Legierungen für zukünftige Gasturbinen

Probenwechsel Probenwechsel Probenwechsel am Hochtemperatur-Ofen durchgeführt von Ralph Gilles (TUM), Pavel Strunz (NPI Rez bei Prag) und Debashis Mukherji (TU Braunschweig).
Probenwechsel am Hochtemperatur-Ofen durchgeführt von Ralph Gilles (TUM), Pavel Strunz (NPI Rez bei Prag) und Debashis Mukherji (TU Braunschweig).

Heutzutage sind Nickel-Basis Superlegierungen die dominierenden Materialien für den Einsatz in Gasturbinen. Letztere finden Anwendung bei der Stromerzeugung und beim Flugzeugbau. Um die Effizienz zu erhöhen, planen die Gasturbinen-Hersteller zukünftig die Gastemperatur in den Turbinen derart zu erhöhen, dass Ni-Basis Superlegierungen nicht mehr den Anforderungen genügen können. Wissenschaftler der TU Braunschweig, Institut für Werkstoffe, versuchen, diese Herausforderung durch die Entwicklung neuer Co-Re-basierter Hochtemperatur-Legierungen für diese ultra-Hochtemperatur-Anwendungen anzugehen [1]. Der Einsatz von Neutronenstreuung am MLZ liefert hierbei wichtige Informationen über die Veränderungen im Kristallgitter von Superlegierungen während der Erwärmung und Verformung des Materials und über die internen Spannungsverteilungen in dickeren Proben. Für die zerstörungsfreie Untersuchung solcher Materialien sind Neutronen daher unverzichtbar.

Design und Optimierung von Legierungen

Co-basierte-Legierungen sind keine neue Erfindung. Sie werden gegenwärtig in Gasturbinen für statische Komponenten bei einer Temperatur bis zu 1000 °C verwendet. Das hitzebeständige Metall Rhenium (Re) hat die dritthöchste Schmelztemperatur (3186 °C) im Periodensystem – mehr als doppelt so viel wie Co (1495 °C) und Ni (1455 °C). Die Zugabe von Re zu Co erhöht den Schmelzpunkt von Co-Legierungen und liegt somit deutlich über der Schmelztemperatur von Ni-Superlegierungen.
Weitere Elemente, wie z.B. Cr, Si, Ta, C, usw. werden Co-Re-Legierungen zugesetzt, um entweder die Festigkeit oder die Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen zu erhöhen. Die Zugabe von geringen Mengen an Fremdelementen vergrößert zudem die Komplexität der Mikrostruktur der Co-Re-Legierungen. Das Design und die Optimierung der Mikrostruktur ist ein wichtiger erster Schritt in der Entwicklung von Legierungen.

Neutronenstreuung am STRESS-SPEC und SPODI

Stärke und langfristige Stabilität der Co-Re-Legierungen bei der korrekten Anwendungstemperatur (> 1200 °C) ist von entscheidender Bedeutung. Bei der Entwicklung von Co-Re-Legierungen spielen in-situ Messungen mit Neutronen eine wichtige Rolle. An diesen Messungen arbeiten die Wissenschaftler der TU Braunschweig und der Technischen Universität München (TUM) gemeinsam. Die erzielten Ergebnisse werden dann in Braunschweig genutzt, um optimale Co-Re-Legierungen zu entwickeln. Der Prüfstand (Abb. 1) für die Untersuchungen befindet sich am MLZ in Garching. Die Neutronenmessungen, die einen wichtigen Beitrag zur Enwicklung der Legierungen geliefert haben, wurden an den Instrumenten STRESS-SPEC und SPODI an der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz durchgeführt [2, 3]. Bald wird das Kleinwinkel-Instrument SANS-1 in die Studien zur Charakterisierung der Partikelgröße und der Morphologie der Ausscheidungen einbezogen.

Hochtemperatur-Ofen am STRESS-SPEC

Prüfstand Prüfstand Der installierte Prüfstand mit der Hochtemperatur-Probenumgebung einschließlich vier Heizlampen am Neutronendiffraktometer STRESS-SPEC am MLZ. Der Hitzeschutz ist abmontiert, um einen Einblick in den Aufbau zu ermöglichen.
Der installierte Prüfstand mit der Hochtemperatur-Probenumgebung einschließlich vier Heizlampen am Neutronendiffraktometer STRESS-SPEC am MLZ. Der Hitzeschutz ist abmontiert, um einen Einblick in den Aufbau zu ermöglichen.

Ein Hochtempertur-Ofen unter Nutzung von Heizlampen wurde speziell für die Zugmaschine am Instrument STRESS-SPEC entwickelt, um gleichzeitig Erwärmungs- und Verformungs-Experimente im Neutronenstrahl durchzuführen. Dies ermöglichte das Verfolgen der strukturellen Veränderungen und die Entstehung von Mikrostrukturen bei hohen Temperaturen (bis 1000 °C) mit der Neutronen-Sonde. Insbesondere die neue Zugmaschine (Abb. 2) wird in-situ-Messungen bei hohen Temperaturen unter dem Einfluss von Belastung erlauben, welche exakt die Bedingungen für reales Turbinenmaterial im Betriebszustand widerspiegeln. Die hohe Eindringtiefe von Neutronen ermöglicht, im Gegensatz zu Röntgenstrahlen, die Verwendung von massiven Proben für diese kritischen Untersuchungen.

Forschergruppe arbeitet an der Entwicklung von Co-Re-Legierungen

Die Forschung zur Entwicklung von Co-Re-Legierungen begann im Jahr 2007 innerhalb eines Forschergruppenprogramms der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) “Über Ni-Basis-Superlegierungen hinaus”, an dem vier deutsche Universitäten beteiligt waren – Technische Universität Darmstadt, Universität Bayreuth, Ruhr-Universität Bochum und Universität Siegen. Die Technische Universität München ist ein wichtiger Kollaborationspartner in dem Projekt zur Entwicklung von Co-Re-Legierungen und stellt Messzeiten mit Neutronen für die kritischen Messungen unter hohen Temperaturen zur Verfügung. Weltweit zeigt sich großes Interesse für die Entwicklung von Co-Re-Legierungen, insbesondere auch seitens der Gasturbinen-Hersteller, wie Siemens und Alstom.

Originalpublikation

[1] Rösler et al., Co-Re-based Alloys: A New Class of High Temperature Materials? (DOI: 10.1002/adem.200700132)

[2] Mukherji et al., The Hexagonal Close-Packed (HCP) ⇆ Face-Centered Cubic (FCC) Transition in Co-Re-Based Experimental Alloys Investigated by Neutron Scattering (DOI: 10.1007/s11661-011-1058-4)

[3] Gilles et al., Stability of phases at high temperatures in CoRe based alloys being developed for ultra-high temperature applications (DOI: 10.1088/1742-6596/340/1/012052)

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