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Metall Superlegierung für Triebwerkskomponenten

| Autor/ Redakteur: Rolf Schencking / Simone Käfer

Ein Alloy, das bei über 700 °C noch die nötige Festigkeit aufweist? VDM Metals hat eine Superlegierung für effizientere Triebwerke mit höheren Wirkungsgraden entwickelt.

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Zur Qualitätskontrolle wird abschließend eine Ultraschallprüfung durchgeführt.
Zur Qualitätskontrolle wird abschließend eine Ultraschallprüfung durchgeführt.
(Bild: © Wolfram Schroll)
  • Der in der Luftfahrt bevorzugte Werkstoff Alloy 718 kann nur bis zu einer Betriebstemperatur von 650 °C eingesetzt werden. Andere geeignete Superlegierungen neigen zur Rissbildung.
  • Auf Basis von Alloy 718 entwickelte VDM Metals mit der RWTH Aachen und der TU Braunschweig die neue Superlegierung Alloy 780.
  • Der neue Werkstoff zeigt gutes Schmiedeverhalten und eine gute Schweißbarkeit. Außerdem hält er den Festigkeitsanforderungen der Luftfahrt bei Triebwerkskomponenten stand.

Im stetig wachsenden Luftfahrtbereich werden insbesondere die drei Superlegierungen N07718, N07001 und Udimet 720 LI für rotierende Triebwerksscheiben verwendet. Geht es um die reine Verbrauchsmenge, gilt N07718 (Alloy 718) als die begehrteste Legierung.

Aufgrund ihrer metastabilen, ausscheidungshärtenden γ´´-Phase sind Scheiben aus Alloy 718 allerdings im Flugzeugtriebwerk nur bis zu einer maximalen Betriebstemperatur von 650 °C einsetzbar, da sich oberhalb dieser Temperatur die Phase in eine stabile δ-Phase umwandelt und sich damit ihre mechanische Festigkeit erheblich reduziert. Die beiden anderen Legierungen können bei Betriebstemperaturen ab 700 bis etwa 720 °C eingesetzt werden. Beide Legierungen weisen keine γ´´-Phase auf, sondern nur die bis höhere Temperaturen stabilere γ´-Phase. Allerdings zeigen sich bei den γ´-Phasen von N07001 und Udimet 720 LI hohe bis sehr hohe Lösungstemperaturen von 1035 oder sogar 1110 °C. Da sich die γ´-Phasenpartikel recht schnell unterhalb dieser hohen Temperaturen an den Oberflächen der Schmiedestücke bei den Schmiede­prozessen ausscheiden und damit die Warmumformbarkeit stark vermindert ist, neigen diese Werkstoffe zur stärkeren Rissbildung und reduzieren damit das Ausbringen der Fertigprodukte. Das motivierte VDM Metals, die Superlegierung VDM Alloy 780 zu entwickeln.

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Die besonderen Eigenschaften der neuen Superlegierung

Der neue Werkstoff erreicht nicht nur ein sehr hohes Festigkeitsniveau bis zu einer Temperatur von > 720 °C, sondern zeichnet sich zusätzlich durch ein deutlich besseres Warmumformverhalten aus – mit einem größeren Schmiede­temperaturbereich im Vergleich zu den Legierungen N07001 und Udimet 720 LI. Diesen erreicht er, da die Lösungstemperatur von VDM Alloy 780 mit 980 °C deutlich niedriger ist als die der beiden Vergleichswerkstoffe. Darüber hinaus ist der Werkstoff schweißbar, was ebenfalls für einige Triebwerkskomponenten ein Designkriterium ist. Udimet 720 LI ist aufgrund des großen Summengehalts an Al und Ti nicht schweißbar. Die Schweißbarkeit von N07001 ist grenzwertig.

N07718 wird üblicherweise mittels Vakuuminduktionsschmelzverfahren (VIM) in Verbindung mit anschließendem Umschmelzen hergestellt. Hinsichtlich der Art und Anzahl an Umschmelzprozessen unterscheidet man dabei im Wesentlichen zwischen der Double-Melt- und der Triple-­Melt-­Route. Bei Ersterer werden die nach der Primärerschmelzung im VIM-Schmelzofen erzeugten Blöcke als Elektroden entweder im ESU-Prozess für Standardqualität oder im VAR-Prozess für Premiumqualität umgeschmolzen. Für die Verwendung als Premium­qualität nutzt man auch die Triple-­Melt-­Route, bei der zunächst ein VIM-Block im ESU-Prozess umgeschmolzen und der erzeugte ESU-Block nochmals im VAR-Prozess umgeschmolzen wird. Damit wird der Reinheitsgrad gesteigert und die Wahrscheinlichkeit von kritischen Makrodefekten reduziert.

So entsteht die neue Superlegierung Alloy 780

Vor etwa zehn Jahren wurde in einer Projektkooperation von VDM Metals mit den beiden Instituten IME und IBF der RWTH Aachen der industrielle Fertigungsprozess (20 t) im Technikumsmaßstab (etwa 50 bis 100 kg) abgebildet. Dabei wurden zunächst am Institut IME kleine Triple-­Melt-­VAR-­Blöcke aus dem Werkstoff N07718 hergestellt, die am Institut IBF nachfolgend an kleine Knüppel geschmiedet wurden. Anhand von Versuchsfertigungen an Knüppeln im Technikumsmaßstab konnte nachgewiesen werden, dass die Mikrostruktur und die mechanischen Kennwerte vergleichbar waren zur Mikrostruktur und den mechanischen Kennwerten, die bei der Erzeugung von geschmiedeten Knüppeln im industriellen Fertigungsprozess vorliegen. Also waren die Prozessanlagen aus dem Technikumsmaßstab für eine Werkstoffneuentwicklung verwendbar.

Die δ-Phase stabilisieren und γ´ erhöhen

Ausgehend von ersten Ideen wurde im Jahr 2012 in Kooperation zwischen VDM Metals und dem Institut IFW der TU Braunschweig die Werkstoffentwicklung der neuen Superlegierung VDM Alloy 780 begonnen. Dafür wurden zunächst umfangreiche thermodynamische Phasenberechnungen durchgeführt sowie eine größere Anzahl an Laborschmelzen im kleinen Maßstab erzeugt und hinsichtlich Mikrostruktur und mechanischer Kennwerte untersucht. Anhand der theoretischen Betrachtungen konnte das Team sehen, dass sich auf Basis der chemischen Zusammensetzung von Alloy 718 bei Zulegierungen von Kohlenstoffmonoxid auf Kosten von Eisen und Nickel die δ-Phase stabilisieren würde. Allerdings stabilisierte sich auch die η-Phase, die eigentlich unterdrückt werden sollte. Auch wurde die γ´-Phase destabilisiert. Also erhöhte man den Al-Gehalt, um die Lösungstemperatur der γ´-Phase zu erhöhen. Die γ´-Phase ist eine Voraussetzung für eine erhöhte Anwendungstemperatur im Betrieb des Flugzeugtriebwerks. Die nicht erwünschte η-Phase wurde durch Reduzierung des Ti-Gehalts destabilisiert.

Aus der umfangreichen Anzahl an betrachteten Legierungsanalysen wurden drei chemische Zusammensetzungen ausgewählt. Diese Legierungen wurden im Technikumsmaßstab in Aachen an Triple-­Melt-­VAR-­Blöcken gefertigt und an Knüppel geschmiedet. Aufgrund der technologischen Eigenschaften dieser drei Legierungs­varianten definierte das Kooperationsteam die chemische Zusammensetzung von VDM Alloy 780. Die ersten Blöcke beziehungsweise geschmiedeten Knüppel wurden erstmalig im Jahr 2014, ausgehend von einer 20-t-Primärschmelze, erfolgreich industriell hergestellt.

Alle Schmiedetests erfolgreich absolviert

Mit dem industriell gefertigten Material wurden umfangreiche Untersuchungen der technologischen Eigenschaften durchgeführt. So zeigten Auslagerungsglühversuche an Probenmaterial, dass auch bei der hohen Temperatur von 800 °C nach einer langen Glühzeit von 2000 h das Mikrogefüge immer noch stabil ist. Das Gefüge weist die δ-Phase nur an den Korngrenzen auf; das Korninnere ist frei von δ-Phase.

Das Warmumformverhalten wurde bereits positiv bei den ersten industriellen Versuchsschmiedungen sowie bei Capability-Tests nachgewiesen. Bei Letzteren werden aus Knüppelabschnitten kleine Pancakes gepresst. Mittlerweile sind auch industrielle Versuchs­fertigungen an Schmiedestücken im Gesenkschmiedeprozess erfolgreich umgesetzt. Auch zeigen die Ergebnisse von Gleeble-Tests den ausreichend großen Warm­umform-Temperaturbereich.

Hitzebeständig und gut schweißbar

Die Entwicklung der neuen Legierung wird als rundum gelungen betrachtet, denn es wurden die geplanten Entwicklungsziele erreicht:

  • Potenzial zur Verwendung für Triebwerkskomponenten bei Betriebstemperaturen > 700 °C;
  • gute Schmiedbarkeit von Block an Knüppel sowie von Knüppel an Schmiedestück für beispielsweise rotierende Triebwerksscheiben;
  • gute Schweißbarkeit.

* Rolf Schencking ist CTO der VDM Metals Group in 58791 Werdohl, Tel. (0 23 92) 55-0, Rolf.Schencking@vdm-metals.com

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