Description
Zur Vermeidung von Heißrissen bei der gerichteten Erstarrung von Nickelbasis-Superlegierungen wird der Versuch unternommen, die Festigkeit und den Zusammenhalt des Dendritennetzwerkes über eine geometrisch günstigere Restschmelzeverteilung zu steigern.
Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass für eine zunehmende Konzentration an interdendritisch seigernden Elementen wie Ta eine höhere Vernetzung der Dendriten untereinander erzielt werden kann. Heißzugversuche an einkristallin erstarrten Probekörpern lassen für die Legierung mit einer stärkeren Vernetzung zwischen den Dendriten eine Zunahme der Festigkeit im semiliquiden Bereich erkennen. Gießbarkeitstests mit stängelkristallinem Gussgefüge zeigen allerdings keine Überlegenheit der Legierung mit besserer Vernetzung. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass ohne korngrenzenfestigende Minorelemente ein Auftreten von Heißrissen nicht zu verhindern ist.
Umfangreiche numerische Untersuchungen unterstützen die experimentellen Arbeiten. Berechnungsmodelle zur Simulation der wirkenden Erstarrungsbedingungen 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. Berechnungen zum Einfluss der Grenzflächenenergie auf die Erstarrungsmorphologie basieren auf dem so genannte Nearest-Neighbor Broken-Bond (NNBB) Modell. Für Legierungen mit einer weniger filmartigen Restschmelzeverteilung errechnen sich geringere Grenzflächenenergien zwischen flüssiger und fester Phase. Diese Beobachtungen stimmen mit den in der Literatur beschriebenen Gesetzmäßigkeiten zu dendritischem Wachstum überein.
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