Neue Legierungen für Ultrahochtemperaturanwendungen
Hochleistungsfähige "Superlegierungen" sind Metallverbundwerkstoffe aus zwei oder mehr Elementen, die, wenn sie längere Zeit sehr hohen Temperaturen ausgesetzt sind, außergewöhnliche Eigenschaften und ein überlegendes Leistungsverhalten zeigen. Sie werden üblicherweise für Triebwerksturbinenschaufeln verwendet, die den extremen Bedingungen innerhalb des Motors ausgesetzt sind. Nickel (Ni) ist bei dieser Anwendung oftmals der wichtigste Legierungsbestandteil. Europäische Forscher verfolgten das Ultmat-Projekt ("Ultra high temperature materials for turbines"), um neue Legierungen auf Basis von Molybdän (Mo) und Niob-Silizid (Nb) zu untersuchen, die im Vergleich zu Standard-Ni-basierten Superlegierungen für die Herstellung von von Motoren für Flugzeuge und Drehflügler sowie stationäre Gasturbinen eine bessere Hochtemperaturbeständigkeit aufweisen. Die Projektforscher entwickelten und charakterisierten zuerst etliche Legierungszusammensetzungen, um die mit den bestmöglichen Spezifikationen zu bestimmen. Sie suchten Materialien aus, die gut bei um 100 bis 150 Grad Celsius höheren Temperaturen als die derzeitigen Nickelbasislegierungen arbeiten könnten und eine gute Dehnbarkeit, mechanische Festigkeit, Kriechfestigkeit (Widerstand gegen Verformung unter Dauerlasten bei erhöhten Temperaturen) und Oxidationsbeständigkeit zu bieten haben. Außerdem stellten die Ultmat-Partner unter der Voraussetzung, dass der Schlüssel zur Kommerzialisierung die Realisierbarkeit der Großserienfertigung ist, unter Einsatz von standardgerechten Industrieverfahren und -ausrüstungen große Mengen der ausgewählten Werkstoffe her, womit die industrielle Anwendbarkeit der Werkstoffe validiert werden konnte. Die auf Molybdänsilizid basierenden Legierungen zeigten zufriedenstellende mechanische Eigenschaften und eine gute Oxidationsbeständigkeit, während die auf Niobsilizid basierenden Legierungen eine ausgezeichnete Kriechfestigkeit demonstrierten. Die Forscher untersuchten überdies Beschichtungen und Abscheideverfahren für die Legierungen auf Nb-Silizid-Basis, mit denen die Temperaturbeständigkeit von Turbinenkomponenten in den Bereich oberhalb von 800 Grad Celsius angehoben werden konnte. Die Wissenschaftler erstellten eine Datenbank zu physikalischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften der Legierungen, die Relevanz für die Anwendung im Heißgasbereich von Gasturbinen besitzen. Das Ultmat-Projekt konnte mit Erfolg zu einer genauen Charakterisierung und zu mehr fundiertem Wissen über die Verheißungen und Grenzen der Legierungen auf Molybdän- und Niobsilizidbasis zur Herstellung von sehr hohen Temperaturen ausgesetzten Turbinenteilen beitragen. Die Untersuchungsergebnisse bergen das Potenzial für die zukünftige Entwicklung von Turbinenkomponenten auf Basis dieser Materialien. Reduzierter Kraftstoffverbrauch und weniger CO2-Emissionen bei erhöhtem Wirkungsgrad werden das Ergebnis sein. Fortschritte auf diesem Gebiet werden die Wettbewerbsfähigkeit Europas auf dem Hochleistungswerkstoffmarkt verbessern sowie für die europäischen Verbraucher Vorteile in Hinsicht auf Kosten und Umwelt schaffen.
