Superlegierungen

Der Name „Superlegierung“ deutet auf einen besonderen Werkstoff hin. In dieser anspruchsvollen Weise bezeichnet man Werkstoffe, welche für die Anwendung bei hohen Temperaturen und starken mechanischen Beanspruchung bestens geeignet sind. Es werden drei Hauptgruppen der Superlegierungen unterschieden: auf Nickelbasis, auf Kobaltbasis und auf Eisenbasis. Dabei haben die Nickellegierungen die größte Bedeutung erreicht. Woran liegt die brillante Karriere dieser Legierungen? Was macht die Superlegierungen „super“?
Die Haupteigenschaft der neuen Werkstoffe ist eine außenordentlich hohe Hitze- und Kriechbeständigkeit. Sie können bis zu einer Temperatur von etwa 0,8 ihrer Schmelztemperatur (nach Kelvinskala eingesetzt werden.
Seit Mitte des 19. Jahrhunderts, nachdem M. Faraday ein Verfahren zur galvanischen Vernickelung vorgestellt hatte, hat Nickel zunehmend an Bedeutung gewonnen. Nickel ist vor allem als ein wichtiges Legierungselement für Stahl bekannt und es wird zum größten Teil in der Stahlindustrie verwendet. Nickel findet aber auch als Rein- bzw. als Basismetall für Legierungen in vielen Bereichen technische Anwendung. Zudem ist Nickel ein bekannter Beschichtungsstoff für galvanische Überzüge, bei denen es den eigentlich wirksamen Korrosionsschutz unter Chromüberzügen sichert.
Das Ausgangssystem für die Superlegierungen auf Nickel-Basis ist das Zweistoffsystem Nickel-Chrom.
Die maximale Lösungsfähigkeit von Chrom in Nickel beträgt 47 % bei 1343 °C. In technischen Legierungen liegt der Chrom-Gehalt jedoch selten über 20 %. Chrom erhöht zwar die Korrosionsbeständigkeit und Warmfestigkeit der Legierung erheblich, die Begrenzung seines Gehaltes erfolgt dennoch im Interesse ausreichender Verformbarkeit. Bei RT liegt ein Nickel-Chrom-Mischkristall mit kfz Struktur vor (-Phase). Durch Zusätze von Aluminium und Titan werden Nickel-Chromr-Legierungen aushärtbar und so kann deren Festigkeit auch bei hohen Temperaturen erheblich gesteigert werden.
Die besonderen Warmfestigkeits- und Zeitstandeigenschaften von Nickel-Basislegierungen werden durch folgende Mechanismen bewirkt:
Mischkristallverfestigung: Die Elemente Chrom, Wolfram, Molybdän, Cobalt, Eisem, Titan und Tantal bilden mit Nickel Mischkristalle und steigern die Festigkeit der Legierung direkt durch Behinderung der Versetzungsbewegung.
Verfestigung durch Teilchen: Die Elemente Aluminium und Titan bilden besondere Ausscheidungen, die die Warmfestigkeit deutlich erhöhen. Zusätzlich können diese Einlagerungen durch eine geeignete Wärmebehandlung in besonders feinverteilter Form erzeugt werden.
Behinderung des Korngrenzgleitens: Die Elemente Chrom, Molybdän, Wolfram, Niob, Titan und Tantal bilden netzartige Karbide, die das Korngleiten behindern. Die Ausscheidung von Karbiden in der gewünschten Zusammensetzung und Anordnung erfolgt während des Auslagerns, das deshalb meist mehrstufig ausgeführt wird.
Abbindung unerwünschter Begleitelemente: Die Elemente Bor, Zirkonium, Hafnium und Magnesium dienen der Abbindung der Begleitelemente Schwefel, Blei, und Phosphor, die eine Schwächung der Korngrenzen bewirken. Gleichzeitig verbessern sie die Stabilität und Ausbildung der Karbide in den Korngrenzbereichen.
Beispielsweise enthält die kommerziell am weitesten verbreitete Superlegierung  IN718 (Inconel 718) neben Nickel  19% Chrom, 18,5% Eisen, 5% Niob, 3% Molybdän, 0,8% Titan, 0,6% Aluminium.
Superlegierungen auf Nickelbasis haben seit ihrer Einführung in den 1950-ger Jahren viele Werkstoffe für Bauteile von Gasturbinen ersetzt. Ein Paradebeispiel für deren Anwendung sind Turbinenschaufeln (Abb. 1).

                  
         Abb. 1 Turbinenschaufel (beschädigt)         Abb. 2 Beanspruchtes Werkzeug

Die Bauteile eines Treibwerkes sind extremen Beanspruchungen ausgesetzt: hohen Temperaturen, korrosiven Gasen, Vibrationen und starken mechanischen Belastungen infolge einwirkenden Fliehkräfte. Wie stark solche Beanspruchung sein kann und welche Spure sie hinterlassen kann, ist am Beispiel eines Werkzeugs für Warmumformen (Abb. 2) aus einer Superlegierung ersichtlich.
Viele der derzeit eingesetzten Superlegierungen sind gezielt für diese Zwecke entwickelt und erforscht worden. Sie weisen eine ganz bestimmte und gezielt hergestellte Mikrostruktur auf, welche aus zwei oder mehr Phasen besteht. Sie können verschiedene Erstarrungszustände aufweisen und dadurch die Korngrenzen verringert werden. Polykristallin erstarrte Superlegierungen haben viele Korngrenzen an denen sich Poren bilden. Dies führt zur Verminderung der Kriechbeständigkeit. Wenn sie gerichtet erstarren wird der Anteil an Korngrenzen die senkrecht zur Belastungsrichtung stehen geringer. Dadurch bilden sich keine Poren parallel zur Belastungsrichtung und die Kriechbeständigkeit wird besser. Die Erstarrung dieser Legierungen kann auch so durchgeführt werden, dass es sich nur ein einziger Einkristall bildet. Solche einkristallin erstarrte Turbinenschaufel besitzen keine Korngrenzen und die höchste Kriechbeständigkeit. Polykristalline Superlegierungen erreichen Einsatztemperaturen von ungefähr 80% des Schmelzpunktes, einkristalline Legierungen etwa 90% des Schmelzpunktes. Ab etwa 550 °C sind die Superlegierungen auf Nickel-Basis den warmfesten Stählen überlegen. Da außerdem ihre Korrosionsbeständigkeit durch Bildung einer undurchlässigen Oxidschicht sehr hoch ist, sind sie als Konstruktionswerkstoffe die beste Wahl für Bauteile in Gasturbinen von Kraftwerken und in Flugzeugturbinen. Solche Legierungen kann man wirklich als Super bezeichnen. <<