Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM
Die Substitution kritischer Legierungsbestandteile trägt zur wirtschaftlichen und technischen Nachhaltigkeit von Nickelbasislegierungen bei, die in anspruchsvollen Anwendungen, wie z.B. in der Luftfahrt- und Energietechnik, verwendet werden. Viele kritische Legierungsbestandteile unterliegen starken Preisschwankungen, gesetzlichen Auflagen, oder sind nur eingeschränkt verfügbar.
Ziel der Substitution ist es, die Eigenschaften trotz des Wegfalls kritischer Elemente aufrechtzuerhalten oder sogar zu verbessern. Die werkstofftechnologischen Herausforderungen umfassen die Sicherstellung der Hochtemperaturfestigkeit, die durch intermetallische Phasen wie γ‘-Teilchen gewährleistet wird. Diese Teilchen behindern die Versetzungsbewegungen in der Nickelmatrix und tragen zur Festigkeit bei. Die Größe und Morphologie der γ‘-Teilchen sind entscheidend für die statische Fließgrenze, und ihre Mikrostrukturveränderungen bei hohen Temperaturen können die Festigkeit negativ beeinflussen. Darüber hinaus sind die Mischkristall- und Feinkornhärtung bedeutende Mechanismen, die ebenfalls die Hochtemperaturfestigkeit beeinflussen.
Die Lösungsstrategie beruht auf einer mikrostrukturbasierten Modellierung der Hochtemperaturfestigkeit. Hierbei werden die temperatur- und zeitabhängige Mikrostrukturentwicklung von Nickelbasislegierungen mit variierenden Gehalten an kritischen Legierungselementen untersucht. Durch thermodynamisch-kinetische Berechnungen mit der Software MatCalc kann der γ‘-Teilchenradius vorhergesagt und in ein Modell integriert werden, das die Fließgrenze und die Kriecheigenschaften der Legierungen beschreibt. Diese Erkenntnisse sind entscheidend, um gezielte Substitutionen vorzunehmen.