Inhaltliche Schwerpunkte

Das Fachgebiet Mikrostrukturelles Werkstoffdesign befasst sich schwerpunktmäßig mit folgenden Themen:

  • Titanaluminidlegierungen (TiAl)
  • Neuartige Kobalt-Basis Superlegierungen

Titanaluminidlegierungen (TiAl)

Titanaluminidlegierungen (TiAl) sind vielversprechende Materialien um schwerere Nickel Basis Legierungen bei Hochtemperaturanwendungen im Flugzeug- und Automobilmotor zu ersetzen. Aufgrund ihrer nano-skaligen Mikrostruktur besitzen sie hervorragende Festigkeit. Allerdings ist die Duktilität begrenzt. Außerdem sind diese Legierungen sehr empfindlich bei der Herstellung, da schon kleinere Abweichungen zu inakzeptablen Eigenschaften führen.


Sowohl die Entwicklung von Legierungen, die bessere Eigenschaften mit einfacherer Herstellbarkeit verbinden, als auch die Entwicklung neuartiger Herstellungsverfahren, die besonders für TiAl geeignet sind, sind wichtige Forschungsschwerpunkte. Seit Kurzem werden TiAl-Legierungen in Flugturbinen als Werkstoff für Niederdruck-Turbinenschaufeln eingesetzt. Dabei werden die Schaufeln entweder durch konventionelle Guss- oder Schmiedeprozesse hergestellt. Parallel herrscht großes Interesse an alternativen Herstellungsverfahren. Diese sind sowohl für die Bauteilherstellung aber auch für Reparatur und Instandhaltung attraktiv. Allerdings ist auf Seite der Legierungsentwicklung fast ausschließlich die Verarbeitung von Guss- oder Schmiedelegierungen mit diesen Prozessen Stand der Technik. Selbst hierbei ist die Anpassung der Legierungen an Schmiedeprozesse noch unvollkommen, da die nötigen Umformtemperaturen zwischen 1100 bis 1250 °C aktuell verfügbare Gesenkwerkstoffe an ihre Grenzen bringen. Eine gezielte Anpassung der Legierungszusammensetzung an andere Prozesse geschieht zur Zeit nicht oder nur ganz vereinzelt im Labormaßstab. Neuartige Prozesse, die hierbei von Interesse sind, sind Additive Manufacturing (AM) durch selektives Aufschmelzen mit dem Laser- oder Elektronenstrahl, Löt-, Schweiß-und Auftragsschweißprozesse oder der Metallpulverspritzguss. Viele dieser Prozesse basieren auf pulvermetallurgischen Methoden. Pulvermetallurgisch hergestelltes Material ist chemisch sehr homogen, aber die hohe Empfindlichkeit von Titan und TiAl gegenüber bestimmten Verunreinigungen stellt hohe Anforderungen an die Prozesstechnik.

Neue Kobalt-Basis Superlegierungen

Nickel-Basis Superlegierungen haben Kobalt-Basis Superlegierungen zunehmend aus Hochtemperaturanwendungen verdrängt obwohl einige Eigenschaften von Kobalt-Basis Legierungen, wie die bessere Korrosionsbeständigkeit oder der höhere Schmelzpunkt, Nickel-Basis Legierungen überlegen sind. Allerdings sind die mechanischen Eigenschaften von Nickel-Basis Superlegierungen konventionellen Kobalt-Basis Legierungen deutlich überlegen. Der Grund ist die sogenannte γ'-Ausscheidungsphase in Nickel-Basis Superlegierungen. Sie sorgt für die hervorragende Hochtemperaturfestigkeit dieser Legierungsklasse. Erst kürzlich wurde eine ähnliche Ausscheidungsphase im System Co-Al-W entdeckt. Dadurch ergibt sich das Potential die Vorteile von Nickel- und Kobalt-Basis Legierungen in neuartigen Kobalt-Basis Superlegierungen zu verbinden.

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