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Hochtemperaturwerkstoffe und Kriechen

Die drei Stadien der Kriechkurve, Potenzgesetz- und Diffusionskriechen, Verformungsmechanismuskarten, Larson-Miller-Parameter, Nickelbasis-Superlegierungen und einkristalline Schaufeln, Wärmedämmschichten sowie Hochtemperaturoxidation und Schutzschichten mit Multiple-Choice-Fragen prüfen.

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Hochtemperaturwerkstoffe und Kriechen: das Wichtigste

Bei hohen Temperaturen oberhalb von etwa dem 0,4-Fachen der Schmelztemperatur bestimmt das Kriechen, bei dem die Verformung auch unter konstanter Last mit der Zeit fortschreitet, die Lebensdauer. Die Kriechkurve besteht aus drei Stadien – primärem, sekundärem (stationärem) und tertiärem Kriechen –, und für die Auslegung verwendet man die stationäre Kriechgeschwindigkeit. Bei hohen Spannungen dominiert das Potenzgesetz-Kriechen mit Klettern von Versetzungen, bei niedrigen Spannungen das Diffusionskriechen; diese Bereiche lassen sich in einer Verformungsmechanismuskarte darstellen. Zur Abschätzung der Lebensdauer dient der Larson-Miller-Parameter, der Temperatur und Zeit zusammenfasst.

Für Turbinenschaufeln von Strahltriebwerken verwendet man Nickelbasis-Superlegierungen mit einem hohen Anteil an ausgeschiedener geordneter γ'-Phase, und einkristalline Schaufeln ohne Korngrenzen erhöhen die Kriechfestigkeit. Die Oberfläche wird mit einer Wärmedämmschicht aus Zirkonoxid mit niedriger Wärmeleitfähigkeit bedeckt, um die Metalltemperatur zu senken. Bei der Hochtemperaturoxidation dienen das parabolische Zeitgesetz, bei dem die Diffusion durch die Oxidschicht das Wachstum bestimmt, und das Pilling-Bedworth-Verhältnis als Anhaltspunkte für die Schutzwirkung; dichte Schichten aus Cr₂O₃ oder Al₂O₃ schützen die Legierung.

Alle Fragen zum Thema „Hochtemperaturwerkstoffe und Kriechen“ (15)
  1. Welche Aussage über die drei Stadien einer bei konstanter Last und Temperatur gemessenen Kriechkurve (Dehnung über der Zeit) trifft zu?
  2. Die stationäre Kriechgeschwindigkeit einer warmfesten Legierung folgt dem Potenzgesetz ε̇ = Aσⁿexp(−Q/RT) mit dem Spannungsexponenten n = 5. Um etwa welchen Faktor steigt die stationäre Kriechgeschwindigkeit, wenn die Spannung bei gleicher Temperatur um 20 % erhöht wird?
  3. Die stationäre Kriechgeschwindigkeit einer Legierung folgt ε̇ = Aσⁿexp(−Q/RT) mit der Aktivierungsenergie Q = 300 kJ/mol. Um etwa welchen Faktor steigt die stationäre Kriechgeschwindigkeit, wenn die Temperatur bei gleicher Spannung von 1000 K auf 1050 K erhöht wird? Es gilt R = 8,314 J/(mol·K).
  4. Ein feinkörniges polykristallines Metall wurde bei etwa dem 0,5-Fachen seiner Schmelztemperatur (als absolute Temperatur) unter niedriger Spannung im Kriechversuch geprüft. Die stationäre Kriechgeschwindigkeit war nahezu proportional zur Spannung (Spannungsexponent n ≈ 1) und nahezu umgekehrt proportional zur dritten Potenz der Korngröße. Welcher Kriechmechanismus wirkt hier am wahrscheinlichsten?
  5. Welche Aussage über die Verformungsmechanismuskarte nach Ashby und Mitarbeitern (senkrechte Achse: auf den Schubmodul normierte Spannung σ/G, waagerechte Achse: homologe Temperatur T/Tm) trifft zu? Tm ist die Schmelztemperatur als absolute Temperatur.
  6. Bei Raumtemperatur erhöht eine Kornfeinung die Festigkeit (Hall-Petch-Beziehung), doch für Bauteile, die lange bei hoher Temperatur belastet werden, verwendet man häufig grobes Korn oder Einkristalle. Welche Begründung ist richtig?
  7. Eine warmfeste Legierung erlitt unter einer bestimmten Spannung bei 1000 K nach 1000 h einen Kriechbruch. Der Larson-Miller-Parameter P = T(C + log₁₀t_r) (T: absolute Temperatur, t_r: Bruchzeit in h, C = 20) sei bei gleicher Spannung konstant. Welcher Wert kommt der Temperatur am nächsten, bei der unter derselben Spannung eine Bruchzeit von 10⁵ h erreicht wird?
  8. Welche Aussage über die γ'-Phase, auf der die Hochtemperaturfestigkeit einer Nickelbasis-Superlegierung beruht, trifft zu?
  9. Warum verwendet man für Turbinenschaufeln von Strahltriebwerken gerichtet erstarrte stängelkristalline oder einkristalline Nickelbasis-Superlegierungen?
  10. Was ist der Hauptzweck der Zugabe einiger Prozent schwerer Elemente wie Rhenium (Re) zu einkristallinen Nickelbasis-Superlegierungen?
  11. Bei der Oxidation einer Legierung an Luft bei hoher Temperatur galt ein parabolisches Zeitgesetz x² = k_p t, bei dem die Diffusion durch die dichte Oxidschicht die Geschwindigkeit bestimmt; nach 100 h war die Schicht 2,0 µm dick. Welcher Wert kommt der Schichtdicke nach 900 h Oxidation bei derselben Temperatur am nächsten?
  12. Das Pilling-Bedworth-Verhältnis einer Oxidschicht (PBR, das Verhältnis des Oxidvolumens zum Volumen des zu seiner Bildung verbrauchten Metalls) wird mit PBR = (M_ox ρ_M)/(n M_M ρ_ox) berechnet (M: molare Masse, ρ: Dichte, n: Zahl der Metallatome in einer Formeleinheit des Oxids). Welche Kombination aus PBR und Verhalten der Schicht ist für Magnesium (24,31 g/mol, 1,74 g/cm³) und MgO (40,30 g/mol, 3,58 g/cm³, n = 1) richtig?
  13. Welche Aussage über Schutzschichten auf warmfesten Legierungen, die an Luft bei hohen Temperaturen über 1000 °C eingesetzt werden, trifft zu?
  14. Welche Aussage über den Aufbau einer Wärmedämmschicht (TBC) auf Gasturbinenschaufeln trifft zu?
  15. Durch die Deckschicht einer Wärmedämmschicht (Dicke 250 µm, Wärmeleitfähigkeit 1,2 W/(m·K)) tritt in Dickenrichtung gleichmäßig eine Wärmestromdichte von 1,0 MW/m². Welcher Wert kommt bei stationärer eindimensionaler Wärmeleitung dem Temperaturunterschied zwischen Ober- und Unterseite der Deckschicht am nächsten?

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