Mechanismen der Rissbildung bei der Erstarrung von Nickelbasislegierungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Versuch unternommen, die Festigkeit und den Zusammenhalt des Dendritennetzwerkes in Superlegierungen über eine geometrisch günstigere Restschmelzeverteilung zu steigern, um der Ausbildung von Heißrissen während der gerichteten Erstarrung entgegenzuwirken. Insbesondere wurde angestrebt, die Restschmelze „einzukugeln“, um größere Berührungsflächen der Dendritenarme zu erzielen. Die experimentellen Befunde zeigen für eine zunehmende Konzentration an interdendritisch seigernden Elementen wie Ta eine höhere Vernetzung der Dendriten untereinander im Sinne der Arbeitshypothese. Heißzugversuchen an einkristallin erstarrten Probekörpern lassen für die Legierung mit einer stärkeren Vernetzung zwischen den Dendriten eine Zunahme der Festigkeit im semiliquiden Bereich erkennen und eine Abnahme der Fähigkeit zur Akkommodation von Dehnungen. Auch beim Gießbarkeitstest (Röhrchengießversuch) ist keine Überlegenheit der Legierung mit besserer Vernetzung der Dendriten erkennbar. Insofern kann die Arbeitshypothese nicht bestätigt werden. Es ist aber auch nicht auszuschließen, dass andere, stärker wirksame Faktoren den Einfluss der Restschmelzeverteilung im vorliegenden Fall überdecken. Die aufgestellten Berechnungsmodelle zur Simulation der wirkenden Erstarrungsbedingungen (Temperaturgradient, Erstarrungsfrontgeschwindigkeit) erweisen sich als leistungsfähiges Werkzeug zur Verbesserung des Prozessverständnisses. Es zeigt sich, dass mikrostrukturelle Kenngrößen wie der Dendritenstammabstand im Wesentlichen durch die Heizertemperatur und die Effektivität der Abschirmung (Trennung von heißer und kühler Zone) festgelegt werden. Die Temperatur in der Kühlkammer und die Art der Wärmeabfuhr sind bei der Erstarrung hochschmelzender Nickelbasislegierungen von untergeordneter Bedeutung. Das so genannte Nearest-Neighbor Broken-Bond (NNBB) Modell formuliert einen empirischen Zusammenhang zwischen Grenzflächenenergie und Bindungsenergie (Enthalpie) und findet in der Literatur bei der Berechnung von Grenzflächenenergien zwischen festen Phasen Anwendung. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Berechnungen zeigen nun, dass das NNBB-Modell zur Beschreibung der Grenzflächenenergie auch auf fest/flüssig Phasengrenzen übertragen werden kann. Für Legierungen mit einer weniger filmartigen Restschmelzeverteilung errechnen sich geringere Grenzflächenenergien zwischen flüssiger und fester Phase. Die Beobachtungen stimmen mit den in der Literatur beschriebenen Gesetzmäßigkeiten zu dendritischem Wachstum weitgehend überein. Anzumerken ist, dass die durchgeführten Berechnung einer gewissen Unsicherheit unterliegen, weil ein Abgleich mit experimentell ermittelten Werten für hochschmelzende Multikomponentenlegierungen fehlt und das Berechnungsmodell auf verschiedenen Vereinfachungen beruht.
