Die Wärmebehandlung ist ein entscheidender Prozess für Superlegierungen, der auf die mechanische Eigenschaften zugeschnitten ist und unter extreme Hochtemperatur- und Stresszustände ihre mechanischen Eigenschaften wie Festigkeit, Kriechwiderstand, Müdigkeitsdauer und mikrostrukturelle Stabilitätspartikulary zu verbessern. Die spezifischen Verfahren variieren je nach Zusammensetzung der Legierungen (Nickelbasis, Kobaltbasis oder Eisenbasis) und der beabsichtigten Anwendung. Zu den Schlüsseltechniken gehören jedoch:
Lösung Glühen
Dieser Schritt umfasst das Erhitzen der Superlegierung auf eine hohe Temperatur (typischerweise 900–1250 Grad, abhängig von der Legierung), um intermetallische Ausfälle (z. B. 'oder Carbide) aufzulösen und eine gleichmäßige homogene feste Lösung zu erreichen. Eine schnelle Kühlung (in Wasser, Öl oder Zwangsluft löschen) folgt, um diese Mikrostruktur zu "einfrieren" und zu verhindern, dass grobe Niederschläge reformieren. Lösungsannealing verbessert die Duktilität und bereitet die Legierung auf die anschließende Verstärkung durch Aushärtung vor. Zum Beispiel:
Nickelbasierte Inconel 718 ist mit ~ 980 Grad bis auf Lösen "(NI₃NB) -Schürtungen mit Angenala und Gewährleistung einer übersättigten Matrix.
Haynes 25 auf Kobalt basiert auf einer Lösung bei ~ 1150 Grad, um seine Chrom- und Wolframverteilung zu homogenisieren.
Alterung (Niederschlagshärtung)
Nach dem Glühen der Lösung beinhaltet das Altern das Erhitzen der Legierung auf eine niedrigere Temperatur (600–850 Grad) für längere Zeiträume (von Stunden bis Tagen), um die Bildung feiner, gleichmäßig dispergierter intermetallischer Niederschläge zu induzieren. Diese Niederschläge (z. B. '-ni₃ (Al, Ti) in Nickel-Basis-Legierungen oder Laves-Phasen in einigen kobaltbasierten Legierungen) wirken als Hindernisse für die Versetzungsbewegung, die die Festigkeit drastisch erhöhen. Viele Superlegierungen verwenden mehrstufige Alterung, um optimale Ergebnisse zu erzielen:
Inconel 718 verwendet einen zweistufigen Alterungsprozess: 720 Grad für 8 Stunden (Ofenkühlung bis 620 Grad) + 620 Grad für 8 Stunden, luftgekühlt, um dichte "Niederschläge zu bilden".
René 95, eine hochfeste Nickel-basierte Legierung, ist für 24 Stunden für 1 Stunde + 650 Grad mit 870 Grad gealtert, um die Stärke und den Kriechwiderstand auszugleichen.
Heißes isostatisches Pressen (Hüfte)
Die Hüfte kombiniert hohe Temperatur (bis zu 1200 Grad) und Hochdruck (100–200 MPa) in einem inerten Gas (z. B. Argon), um die innere Porosität zu beseitigen, Hohlräume zu schrumpfen und Mikrostrukturen zu homogenisieren. Es ist besonders kritisch für Guss- oder Pulvermetallurgie-Superlegierungen wie CMSX-4 (eine Einkristall-Nickel-Basis-Legierung), die die Lebensdauer der Ermüdung verbessert und Defektfehler in Turbinenklingen reduziert.
Stressabbau Glühen
Nach Bearbeitung, Schweißen oder Bildung wird dieses Prozess die Legierung auf 500–800 Grad erwärmt, um Restspannungen zu lindern, ohne die primäre Mikrostruktur zu verändern. Es verhindert ein Riss während des Dienstes, was für Komponenten wie Raketendüsen oder Kernreaktorteile unerlässlich ist.
Korngrößenoptimierung
Wärmebehandlungen können die Korngröße kontrollieren, um Eigenschaften auszugleichen: Feinkörner verbessern die Zugfestigkeit mit niedriger Temperatur, während die groben Körner die Kriechwiderstand bei hohen Temperaturen verbessern. Zum Beispiel:
Turbinenscheiben (vorbehaltlich einer hohen Rotationsspannung) verwenden feinkörnige Superlegierungen (z. B. Udimet 720) durch kontrolliertes Abkühlen während des Tempers.
Turbinenklingen (extremer Wärme ausgesetzt) verwenden häufig grobkörnige oder einkristallistische Superlegierungen (z. B. PWA 1480), um die Kriechwiderstand zu maximieren.
Das Definieren des "stärksten" Superalloys ist komplex, da die Stärke vom Kontext abhängt: Temperatur, Spannungsart (Zug, Kriechen, Müdigkeit) und Umgebungsbedingungen (Korrosion, Oxidation) spielen alle Rollen. In bestimmten Szenarien stechen jedoch mehrere Superlegierungen für außergewöhnliche Stärke hervor:
GRX-810
Ein von der NASA entwickelter 3D-gedruckter Nickel-Basis-Superalloy, GRX-810, weist außergewöhnliche Stärke und Haltbarkeit auf. Es ist doppelt so stark wie hochmoderne 3D-gedruckte Superlegierungen (z. B. Inconel 718) bei hohen Temperaturen (~ 1093 Grad) und über das 1.000-mal mehr gegen Kriechen bestehende (langsame Verformung unter konstanter Stress). Seine Stärke ergibt sich aus einer einzigartigen Mikrostruktur von nanoskaligen Ausfällen und Oxiden, wodurch sie ideal für Hyperschallfahrzeuge und Raketenmotoren ist.
René 95
René 95, ein in der Luft- und Raumfahrt weit verbreiteter Superalloy auf Nickelbasis, bietet eine außergewöhnliche Zugfestigkeit (bis zu 1.600 MPa bei Raumtemperatur) und Kriechwiderstand bei erhöhten Temperaturen. Seine Stärke ergibt sich aus einem dichten Netzwerk von Niederschlägen und macht es zu einer Spitzenauswahl für Komponenten mit hohem Stress wie Turbinenscheiben.
Legierung 718plus
Eine fortschrittliche Version von Inconel 718, 718Plus ersetzt "Ausfälle durch stabilere" Phasen, steigern die Festigkeit bei höheren Temperaturen (bis zu 700 Grad). Sie hält eine Zugfestigkeit von mehr als 1.300 MPa, während sie einen verbesserten Kriechbeständigkeit anbietet, geeignet für Gas-Turbin-Motoren der nächsten Generation.
Cobalt-basierte Legierungen (z. B. Haynes 188)
Während im Allgemeinen weniger stark als Nickel-Legierungen bei Raumtemperatur sind, übertreffen Kobaltbasis-Superlegierungen wie Haynes 188 in hoher Temperaturstärke und Oxidationsbeständigkeit (bis zu 1.100 Grad). Ihre Stärke leitet sich aus der Festungsfestigkeit durch Wolfram und Chrom ab, wodurch sie für Brennkammern mit Strahlmotor von entscheidender Bedeutung sind.
GRX-810wird in Bezug auf die Hochtemperaturstärke und Kriechwiderstand oft als stärkstes als am stärksten bezeichnet, während René 95 und 718Plus in Raumtemperatur und mittelschwerer Temperaturfestigkeit dominieren. Das "stärkste" Etikett hängt letztendlich von den spezifischen Leistungskriterien ab.
