Handbuch Hochtemperatur- Werkstofftechnik

Transkript

1 RalfBürgel Handbuch Hochtemperatur- Werkstofftechnik Grundlagen, Werkstoffbeanspruchungen, Hochtemperaturlegierungen und -beschichtungen 3., überarbeitete und erweiterte Auflage Mit 268 Abbildungen und 70 Tabellen 31 vieweg

2 VN Vorwort Zeichen und Einheiten Abkürzungen V XIII XVII 1 Grundlagen Einführung Thermodynamische und kinetische Grundlagen Temperatur und thermische Energie Grundbegriffe der Thermodynamik und Kinetik von Reaktionen Thermodynamische Triebkraft AG Reaktionskinetik Diffusion Mechanismen und Gesetzmäßigkeiten Interstitielle Diffusion Reguläre Gitterdiffusion Diffusion in Substitutionsmischkristallen Diffusion entlang von Gitterfehlern Diffusion entlang von Versetzungen Diffusion entlang von Korngrenzen Diffusion in geordneten Gittern Grundlagen der Wärmeübertragung Begriffe Wärmedurchgang durch eine Wand 27 2 Gefügestabilität Erholung Rekristallisation Allgemeines Kinetik der Rekristallisation Mechanismen und Gesetzmäßigkeiten der Rekristallisation Kornvergröberung 57

3 VIII 2.4 Ausscheidungsvorgänge Allgemeines Energiebilanz bei Ausscheidungsvorgängen Teilchenvergröberung/Ostwald-Reifung Gefügebedingte Volumenänderungen 85 3 Hochtemperaturfestigkeit und -Verformung Allgemeines Grundlagen der Hochtemperaturverformung Kriechen Kriechkurve Darstellungsformen der Kriech- und Zeitstanddaten und Aspekte der Bauteilauslegung Versetzungskriechen Mikrostrukturelle Interpretation Gesetzmäßigkeiten des Versetzungskriechens Spannungsabhängigkeit Temperaturabhängigkeit Abhängigkeiten von Werkstoffparametern Korngrenzengleiten Diffusionskriechen Verformungsmechanismuskarten Kriechen von Legierungen Mischkristallhärtung Direkte Wechselwirkungen Fremdatome/Versetzungen Veränderung von Werkstoffparametern durch Fremdatome Teilchenhärtung Mechanismen und Gesetzmäßigkeiten Besonderheiten dispersionsgehärteter Legierungen Hoch y'-haltige Ni-Basislegierungen Kriechkurvenverlauf teilchengehärteter Legierungen Kriechen geordneter intermetallischer Phasen Bruchmechanismuskarten Kriechschädigung und Kriechbruch Transkristalline Kriechschädigung Interkristalline Kriechschädigung Kriechrissinitiierung Kriechrisswachstum Tertiäres Kriechen Einfluss der Kornform auf die Zeitstandeigenschaften 170

4 IX 3.12 Kriechverhalten von Einkristallen Extrapolation von Zeitstandergebnissen Zeitstandfestigkeitsnachweis bei veränderlichen Beanspruchungen Spannungsrelaxation Kerbzeitstandverhalten Entwicklung und Auswahl kriechfester Legierungen Zyklische Festigkeit und Verformung Begriffe und Einführung Ermüdung bei tiefen Temperaturen Ermüdung bei hohen Temperaturen Schädigung und Bruch unter zyklischen Belastungen Lebensdauerabschätzung für zyklische Belastungskollektive Lebensdauerabschätzung für kombinierte Kriech- und Ermüdungsbeanspruchung Thermische Ermüdung Einführung und Definition Wärmedehnungen und Wärmespannungen Prüftechniken zur thermischen Ermüdung Einflussgrößen auf die thermische Ermüdung Wärmeausdehnungskoeffizient Wärmeleitfähigkeit und Temperaturleitfähigkeit Elastizitätsmodul Korngröße Mechanische Eigenschaften Konstruktive und geometrische Einflüsse Korrosionsbeständigkeit Zusammenfassung der Einflussgrößen auf die thermische Ermüdung Hochtemperaturkorrosion Begriffe Thermodynamik der Metall/Gas-Reaktionen Oxidation Einführung und Begriffe Kinetik der Oxiddeckschichtbildung Mechanismen des Deckschichtwachstums Oxidation von Legierungen Deckschichten auf Legierungen Zyklisches Oxidationsverhalten Haftung von Deckschichten und Aktivelementeffekte Plastisches Verhalten von Oxiddeckschichten Korngrenzenzerfall (Pest) 291

5 X Zundergrenze Aufkohlung Allgemeines Besondere Erscheinungsformen der Aufkohlung MetalDusting Grünfäule Entkohlung Aufstickung Aufschwefelung Heißgaskorrosion Begriffe und Einführung Korrosive Substanzen bei Verbrennungsprozessen Prüfmethoden Mechanismen der Heißgaskorrosion Allgemeines Niedertemperatur- (Typ II-) Heißgaskorrosion Hochtemperatur- (Typ I-) Heißgaskorrosion Einflüsse weiterer Elemente Zusammenfassung und Aspekte der Werkstoffwahl Erosion-Korrosion-Wechselwirkungen Korrosionsbedingte Volumenänderungen Wechselwirkungen zwischen Korrosion und mechanischen Eigenschaften Hochtemperaturlegierungen Definition und Anwendungsgebiete Beanspruchungen und Werkstoffanforderungen Auswahlkriterien für Basiselemente und Übersicht über Hochtemperatur-Werkstoffgruppen Hochtemperaturlegierungen auf Fe-Basis Übersicht Hitzebeständige Stähle Warmfeste Stähle Hochwarmfeste Stähle Hochtemperaturlegierungen auf Co-Basis Allgemeines und Vergleich Legierungsaufbau, Gefüge und Eigenschaften Hochtemperaturlegierungen auf Ni-Basis Allgemeines und Vergleich Mikroseigerungsverhalten bei der Erstarrung Phasen in Ni-Basislegierungen Dery-Mischkristall Diey'-Phase Karbide 391

6 XI TCP-Phasen und Phaseninstabilitäten Weitere Phasen Wärmebehandlung y'-gehärteter Ni-Basislegierungen Allgemeines Ausgangswärmebehandlung Heiß-isostatisches Pressen (HIP) Regenerierende Wärmebehandlung Korrosionseigenschaften Gerichtet erstarrte Superlegierungen Allgemeines Herstellung Prinzip der gerichteten Erstarrung Verfahrensparameter und Gefügefehler Besondere Eigenschaften gerichtet erstarrter Legierungen Rekristallisation gerichtet erstarrter Bauteile Gerichtet rekristallisierte Dispersions-Superlegierungen Allgemeines Legierungstypen Herstellung Rekristallisation Legierungsaufbau und besondere Eigenschaften Blechlegierungen Korrosions- und Beschichtungsverhalten Hochschmelzende Legierungen Allgemeines Festigkeitssteigerung und Legierungsaufbau Intermetallische Phasen als Konstruktionswerkstoffe Allgemeines Klassifizierung der intermetallischen Phasen Besondere Eigenschaften der intermetallischen Phasen Potenzielle intermetallische Konstruktionswerkstoffe Edelmetalllegierungen Verunreinigungen und Reinheitsgradverbesserung Allgemeines Einflüsse von Verunreinigungen auf die Eigenschaften Maßnahmen zur Reinheitsgradverbesserung Vergleich von Hochtemperaturwerkstoffen und Aspekte der Werkstoffwahl Hochtemperaturbeschichtungen Hochtemperatur-Korrosionsschutzschichten Funktion Beanspruchungen und Anforderungen Aufbringverfahren 485

7 XII CVD-Verfahren PVD-Verfahren Thermische Spritzverfahren Plattieren Beschichtungsarten und Eigenschaften Diffusionsschichten Auflageschichten Thermisch-mechanisches Verhalten beschichteter Bauteile Wärmespannungen in Werkstoffverbunden Physikalische und mechanische Eigenschaften von Beschichtungen Thermozyklisches Verhalten Wärmedämmschichten Funktion Anforderungen Aufbringverfahren für Keramikschichten Arten und Eigenschaften Keramikschichten Haftschichten Maßnahmen an betriebsbeanspruchten Bauteilen Zustandsbeurteilungen Rekonditionierungsmaßnahmen 542 Literatur 545 Anhänge Anhang 1: Berechnung von Volumenanteilen der y'-phase 561 Anhang 2: Chemische Zusammensetzungen 565 Anhang 3: Handelsnamen 572 Werkstoffverzeichnis 573 Sachwortverzeichnis 577