Was sind Superlegierungen? Vollständiger Leitfaden zu Eigenschaften und Verwendung

Ob in Düsentriebwerken, Kraftwerken oder rauen Umgebungen: Superlegierungen bleiben dort stabil, wo die meisten Metalle versagen. Sie sind rostbeständig und halten Belastungen länger stand. Deshalb sind sie in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, der Energiewirtschaft und vielen anderen so wichtig. Ohne sie würden viele Hochleistungsmaschinen ausfallen.

Definition von Superlegierungen

Superlegierungen sind Hochleistungsmetalle, die für hohe Temperaturen geeignet sind. Sie können Temperaturen von höchstens 85 % ihres Schmelzpunkts standhalten (Tₘ). Diese Legierungen zeichnen sich durch ihre hervorragende mechanische Festigkeit und ihre Widerstandsfähigkeit aus Kriechverformung.

Sie verfügen außerdem über eine sehr gute Oxidations-/Korrosionsstabilität bei extremer Hitze und Belastung. Superlegierungen werden typischerweise aus drei unedlen Metallen hergestellt, nämlich Nickel (Ni), Kobalt (Co) und Eisen (Fe). 

Geschichte der Superlegierungen

Superlegierungen gehen auf die Entwicklung von Edelstahl um 1910 zurück. Diese Stähle rosteten zwar nicht so leicht, hielten aber großer Hitze nicht gut stand. In den 1920er und 1930er Jahren begannen Ingenieure, Elemente wie Chrom und Nickel hinzuzufügen, um die Hitze- und Rostbeständigkeit der Metalle zu verbessern.

In den 1930er Jahren wurde eine neue Superlegierung namens Inconel wurde markenrechtlich geschützt. Es funktionierte sehr gut bei Hitze und rostete nicht so leicht. Inconel wurde später in frühen Düsentriebwerken verwendet. Die größten Fortschritte wurden in den 1960er und 70er Jahren mit drei wesentlichen Veränderungen erzielt:

• Vakuumschmelzen – Dadurch entstanden reinere Legierungen. Weniger Schmutz im Metall bedeutete weniger Schwachstellen.
• Gerichtete Erstarrung – Dies half dabei, den Kornfluss des Metalls zu formen und es stärker zu machen.
• Einkristallwachstum – Dadurch werden die Schwachstellen beseitigt, an denen häufig Risse entstehen.

Chemie und Stärkungsmechanismen

Legierungsdesign

Superlegierungen werden durch Mischkristall- und Ausscheidungshärtung stärker gemacht.

Festlösungsverfestigung

Dabei werden dem Grundmetall andere Elemente beigemischt. Diese Elemente stören die atomare Anordnung des Metalls und erschweren die Bewegung der Atome. Dadurch brechen oder verbiegen sich die Metalle unter Belastung nicht.

Niederschlagsverstärkung

Dem Metall werden winzige Partikel hinzugefügt, die als Gamma-Primärpartikel (γ′) und Gamma-Doppelprimärpartikel (γ″) bekannt sind, um die Struktur unter hohen Temperaturen an ihrem Platz zu halten.

Rolle der Elemente:

Superlegierungen benötigen mehr als nur ein starkes Grundmetall. Für mehr Festigkeit, Wärmeregulierung und Rostbeständigkeit werden zusätzliche Elemente hinzugefügt.

Nickel (Ni), Kobalt (Co) und Eisen (Fe)

Diese bilden die Grundmatrix der Superlegierung. Nickel behält seine Festigkeit auch bei hohen Temperaturen und wird hauptsächlich in Superlegierungen verwendet. Kobalt hat einen höheren Schmelzpunkt als Nickel und eignet sich gut für Teile, die extrem heiß werden. Eisen ist günstiger, aber genauso fest wie Nickel oder Kobalt.

Chrom (Cr) und Aluminium (Al)

Chrom hilft, Rost und Korrosion zu bekämpfen, indem es eine dünne Oxidschicht bildet, die das Metall schützt. Aluminium verleiht dem Metall Festigkeit und trägt ebenfalls zur Rostbeständigkeit bei.

Titan (Ti) und Niob (Nb)

Diese tragen dazu bei, die Ausscheidungshärtungsphase zu fördern und so zu verhindern, dass sich das Metall mit der Zeit ausdehnt.

Rhenium (Re), Wolfram (W), Molybdän (Mo) und Tantal (Ta)

Diese Metalle werden als Refraktärmetalle bezeichnet. Sie haben einen sehr hohen Schmelzpunkt und machen die Legierung bei Hitze fester. Sie verlangsamen außerdem die Entstehung von Schwachstellen im Metall.

Mikrostruktur

Die Mikrostruktur einer Superlegierung weist typischerweise folgende Merkmale auf:

• γ/γ′-Mikrostruktur: Es handelt sich um eine zweiphasige Struktur, bestehend aus der Gamma-Phase (γ) und der Gamma-Strich-Phase (γ′). Während die Gamma-Phase die Form beibehält, sorgt die Gamma-Strich-Phase für die Festigkeit des Metalls bei Erwärmung.

• Hartmetalle: Dabei handelt es sich um winzige, harte Kohlenstoffpartikel, die sich am Rand der Körner befinden und dabei helfen, Risse zu verhindern und das Kriechen zu verlangsamen.

• TCP-Phasen (topologisch dicht gepackt): Sie werden in kleinen Mengen verwendet, da große Mengen die Legierung sehr spröde machen können.

• Einkristalllegierungen: Diese beseitigen Korngrenzen, verhindern jedoch die Rissbildung und halten unter Belastung länger.

Familien von Superlegierungen

Ni‑basiert

Dies sind die gängigsten Superlegierungen. Sie zeichnen sich durch eine sehr gute γ′-Kontrolle und Kriechfestigkeit aus. Daher eignen sie sich hervorragend für hohe Temperaturen und anspruchsvolle Umgebungen. Gängige Sorten sind Waspaloy, Inconel 625 und Inconel 718.

Co‑basiert

Superlegierungen auf Kobaltbasis haben höhere Schmelzpunkte und sind hitzebeständiger als Nickellegierungen. Sie enthalten kaum γ′-Partikel. Stattdessen basieren sie auf harten Carbiden. Diese verhindern Verschleiß und Rissbildung. Kobaltlegierungen eignen sich gut für reibende oder verschleißende Teile wie Motorventile.

Fe‑basiert

Diese Legierungen basieren auf Eisen und werden häufig dort eingesetzt, wo es auf die Kosten ankommt. Bei sehr hohen Temperaturen sind sie nicht mit Nickel- oder Kobalt-Superlegierungen vergleichbar. Sie eignen sich jedoch dennoch gut für heiße Teile, die nicht extrem beansprucht werden.

Einige eisenbasierte Superlegierungen sind austenitisch. Das bedeutet, dass ihre Kristallstruktur auch bei Hitze stabil bleibt. Diese Legierungen können, genau wie nickelbasierte, γ′-Ausscheidungen bilden. Dadurch steigt ihre Festigkeit, insbesondere bei mittleren Temperaturen.

Einige gängige Sorten von Superlegierungen sind:

• Inconel 625: Dabei handelt es sich um eine Superlegierung auf Nickelbasis, die sehr fest ist und sowohl Hitze als auch Druck sehr gut standhält.
• Inconel 718: Dieses enthält einen erheblichen Anteil Niob und ist bei mittleren bis hohen Temperaturen stabil.
• Waspaloy: Dieser ist aushärtbar und bleibt bis ca. 980°C fest.

Herstellung & Verarbeitung

Gießen vs. Schmieden

Wenn es darum geht SchmiedenDie Legierung wird erhitzt und anschließend gepresst oder gehämmert. Durch den Druck werden die Körner dichter gepackt. Dies reduziert innere Fehler und macht das Teil widerstandsfähiger. Geschmiedete Teile sind in der Regel belastbarer als gegossene. Sie halten Stößen und Belastungen besser stand. Für sehr komplexe Formen ist Schmieden jedoch nicht ideal.

Das Schmieden schränkt auch die verwendbaren Superlegierungen ein. Manche Legierungen sind nach dem Abkühlen zu hart zum Schmieden. Daher wird dieses Verfahren eingesetzt, wenn Festigkeit wichtiger ist als Formdetails.

Casting ist eine Methode zur Herstellung von Superlegierungen. Sie eignet sich hervorragend für komplexe oder hohle Teile, die schwer zu bearbeiten sind. Feinguss ist eines der gängigsten Verfahren zur Formgebung von Superlegierungskomponenten auf Nickel- und Kobaltbasis. Es ist ein kostengünstiges Verfahren, das enge Toleranzen, dünne Wände und komplexe Formen ermöglicht.

Gerichtete Erstarrung

Dies ist ein spezielles Gussverfahren. Dabei kühlt das Metall langsam in eine Richtung ab. Dadurch wachsen die Metallkörner geradlinig von unten nach oben. So hergestellte Teile sind in Spannungsrichtung fester. Sie halten Hitze und Druck besser stand als herkömmliche Gussteile.

Einkristallzüchtung

Dies ist ein kompliziertes Gussverfahren. Das Teil wächst als ein einziger Kristall ohne jegliche Korngrenzen. Korngrenzen sind häufig der Ausgangspunkt von Rissen. Durch deren Entfernung erhält das Teil eine bessere Kriechfestigkeit und eine längere Lebensdauer bei Hitze.

Pulvermetallurgie und additive Fertigung (3D-Druck)

Sowohl die Pulvermetallurgie als auch 3d Drucken verwenden feine Metallpulver zur Herstellung von Teilen, sie werden jedoch auf unterschiedliche Weise verwendet.

Bei der Pulvermetallurgie wird das Pulver in Form gepresst und anschließend erhitzt, bis die Körner verschmelzen. Dadurch entstehen stabile Teile mit wenigen Fehlern und guter Kontrolle über die Metallmischung. Diese Methode eignet sich gut für wichtige Teile wie Turbinenscheiben und andere hochbelastete Komponenten.

Beim 3D-Druck wird das Pulver mithilfe eines Lasers schichtweise geschmolzen. Mit dieser Methode lassen sich komplexe Formen und leichtere Teile herstellen. Sie eignet sich für Kleinserien und Sonderanfertigungen. Beide Verfahren helfen, Material zu sparen und robuste, präzise Teile aus Superlegierungen herzustellen.

Oberflächenschutz: Beschichtungen

Superlegierungsteile sind extremer Hitze, Dampf und reaktiven Gasen ausgesetzt. Zum Schutz werden Oberflächenbeschichtungen aufgetragen. Diese wirken als Barriere, verlangsamen Oxidation und Korrosion und tragen so zur längeren Lebensdauer des Teils bei.

Die Strategie besteht darin, eine stabile Außenschicht zu bilden, die selbst bei hohen Temperaturen nicht zerfällt. Beschichtungen verbinden sich entweder mit der Oberfläche oder bilden während des Gebrauchs eine eigene Schutzschicht.

• Diffusionsbeschichtungen: Diese fügen der Oberfläche Elemente wie Aluminium hinzu und bilden beim Erhitzen eine stabile Oxidschicht.
• MCrAlY-Beschichtungen: Dabei handelt es sich um aufgesprühte Schichten aus Metallen wie Nickel oder Kobalt sowie Chrom, Aluminium und Yttrium. Sie haften gut und schützen vor Hitze und Rost.
• Wärmedämmschichten (TBCs): TBCs sind Keramikschichten, die die Wärme vom Metall fernhalten. Sie sorgen dafür, dass Teile kühler bleiben und länger halten.

Anwendungen

Luft- und Raumfahrt

Düsentriebwerke bestehen aus Superlegierungen. Schaufeln, Leitschaufeln und Brennkammerteile müssen Temperaturen von über 1100 °C standhalten. Diese Teile drehen sich schnell und sind hohen Belastungen ausgesetzt.

Stromerzeugung

Auch Gas- und Dampfturbinen verwenden Superlegierungen. Diese Teile werden heiß und müssen dauerhaft funktionieren, ohne sich zu verziehen. Superlegierungen tragen dazu bei, dass Kraftwerke höhere Temperaturen erreichen und mehr Leistung erzeugen.

Chemische Verarbeitung & Öl & Gas

Superlegierungen sind aggressiven Flüssigkeiten, Hitze und Druck ausgesetzt. Sie werden in Wärmetauschern, Pumpen und Rohren eingesetzt. Legierungen wie Inconel und Hastelloy sind beständig gegen Säuren und salzhaltige Gase.

Automobilindustrie und mehr

Einige Superlegierungen werden in Automotoren verwendet. Turbolader und Abgassysteme müssen Hitze und Belastung standhalten. Diese Legierungen halten an heißen Stellen länger als Stahl.

Fazit

Jede Stunde, die eine Turbine läuft oder ein Flugzeug in der Luft bleibt, wird durch Superlegierungen gesichert. Bessere Teile bedeuten weniger Ausfälle, geringeren Wartungsaufwand und längere Betriebszeiten. Wir helfen Ihnen gerne weiter Machen Sie noch heute den ersten Schritt zu stärkeren Teilen.