Handbuch Hochtemperatur-Werkstofftechnik (eBook)

Prof. Dr.-Ing. Ralf Bürgel war sowohl langjährig im Kraftwerksbau tätig als auch in der Hochschullehre und angewandten Forschung. Prof. Dr.-Ing. Hans Jürgen Maier hat den Lehrstuhl für Werkstoffkunde an der Universität Paderborn inne. Dr.-Ing. Thomas Niendorf ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am gleichen Lehrstuhl.

Vorwort zur 4. Auflage 5
Vorwort zur 1. Auflage 6
Inhaltsverzeichnis 7
Zeichen und Einheiten 13
Abkürzungen 17
1 Grundlagen 19
1.1 Einführung 19
1.2 Thermodynamische und kinetische Grundlagen 21
1.2.1 Temperatur und thermische Energie 21
1.2.2 Grundbegriffe der Thermodynamik und Kinetik von Reaktionen 23
1.2.3 Thermodynamische Triebkraft 23
1.2.4 Reaktionskinetik 27
1.3 Diffusion 29
1.3.1 Mechanismen und Gesetzmäßigkeiten 29
1.3.1.1 Interstitielle Diffusion 30
1.3.1.2 Reguläre Gitterdiffusion 33
1.3.2 Diffusion in Substitutionsmischkristallen 38
1.3.3 Diffusion entlang von Gitterfehlern 40
1.3.3.1 Diffusion entlang von Versetzungen 41
1.3.3.2 Diffusion entlang von Korngrenzen 42
1.3.4 Diffusion in geordneten Gittern 43
1.4 Grundlagen der Wärmeübertragung 44
1.4.1 Begriffe 44
1.4.2 Wärmedurchgang durch eine Wand 46
2 Gefügestabilität 56
2.1 Erholung 57
2.2 Rekristallisation 61
2.2.1 Allgemeines 61
2.2.2 Kinetik der Rekristallisation 62
2.2.3 Mechanismen und Gesetzmäßigkeiten der Rekristallisation 64
2.3 Kornvergröberung 75
2.4 Ausscheidungsvorgänge 82
2.4.1 Allgemeines 82
2.4.2 Energiebilanz bei Ausscheidungsv orgängen 85
2.5 Teilchenvergröberung/Ostwald-Reifung 93
2.6 Gefügebedingte Volumenänderungen 103
3 Hochtemperaturfestigkeit und -verformung 106
3.1 Allgemeines 106
3.2 Grundlagen der Hochtemperaturverformung 107
3.3 Kriechen 112
3.3.1 Kriechkurve 113
3.3.2 Darstellungsformen der Kriechund Zeitstanddaten 117
3.4 Versetzungskriechen 122
3.4.1 Mikrostrukturelle Interpretation 122
3.4.2 Gesetzmäßigkeiten des Versetzungskriechens 125
3.4.2.1 Spannungsabhängigkeit 125
3.4.2.2 Temperaturabhängigkeit 129
3.4.2.3 Abhängigkeiten von Werkstoffparametern 132
3.5 Korngrenzengleiten 136
3.6 Diffusionskriechen 139
3.7 Verformungsmechanismuskarten 144
3.8 Kriechen von Legierungen 148
3.8.1 Mischkristallhärtung 148
3.8.1.1 Direkte Wechselwirkungen Fremdatome/Versetzungen 149
3.8.1.2 Veränderung von Werkstoffparametern durch Fremdatome 152
3.8.2 Teilchenhärtung 154
3.8.2.1 Mechanismen und Gesetzmäßigkeiten 154
3.8.2.2 Besonderheiten dispersionsgehärteter Legierungen 163
3.8.2.3 Hoch .'-haltige Ni-Basislegierungen 166
3.8.2.4 Kriechkurvenverlauf teilchengehärteter Legierungen 167
3.8.3 Kriechen geordneter intermetallischer Phasen 168
3.9 Bruchmechanismuskarten 169
3.10 Kriechschädigung und Kriechbruch 172
3.10.1 Transkristalline Kriechschädigung 173
3.10.2 Interkristalline Kriechschädigung 173
3.10.2.1 Kriechrissinitiierung 176
3.10.2.2 Kriechrisswachstum 184
3.10.3 Tertiäres Kriechen 187
3.11 Einfluss der Kornform auf die Zeitstandeigenschaften 188
3.12 Kriechverhalten von Einkristallen 191
3.13 Extrapolation von Zeitstandergebnissen 192
3.14 Zeitstandfestigkeitsnachweis bei veränderlichen Beanspruchungen 197
3.15 Spannungsrelaxation 199
3.16 Kerbzeitstandverhalten 206
3.17 Entwicklung und Auswahl kriechfester Werkstoffe 213
4 Zyklische Festigkeit und Verformung 219
4.1 Begriffe und Einführung1 219
4.2 Ermüdung bei tiefen Temperaturen 227
4.3 Ermüdung bei hohen Temperaturen 231
4.4 Schädigung und Bruch unter zyklischen Belastungen 240
4.5 Lebensdauerabschätzung für zyklische Belastungskollektive 241
4.6 Lebensdauerabschätzung für kombinierte Kriechund Ermüdungsbeanspruchung 242
4.7 Thermische Ermüdung 249
4.7.1 Einführung und Definition 249
4.7.2 Wärmedehnungen und Wärmespannungen 252
4.7.3 Prüftechniken zur thermischen Ermüdung 263
4.7.4 Einflussgrößen auf die thermische Ermüdung 268
4.7.4.1 Wärmeausdehnungskoeffizient 268
4.7.4.2 Wärmeleitfähigkeit und Temperaturleitfähigkeit 268
4.7.4.3 Elastizitätsmodul 270
4.7.4.4 Korngröße 273
4.7.4.5 Mechanische Eigenschaften 273
4.7.4.6 Konstruktive und geometrische Einflüsse 274
4.7.4.7 Korrosionsbeständigkeit 275
4.7.4.8 Zusammenfassung der Einflussgrößen auf die thermische Ermüdung 275
5 Hochtemperaturkorrosion 278
5.1 Begriffe 278
5.2 Thermodynamik der Metall/Gas-Reaktionen 279
5.3 Oxidation 285
5.3.1 Einführung und Begriffe 285
5.3.2 Kinetik der Oxiddeckschichtbildung 285
5.3.3 Mechanismen des Deckschichtwachstums 291
5.3.4 Oxidation von Legierungen 296
5.3.5 Deckschichten auf Legierungen 298
5.3.6 Zyklisches Oxidationsverhalten 303
5.3.7 Haftung von Deckschichten und Aktivelementeffekte 306
5.3.8 Plastisches Verhalten von Oxiddeckschichten 309
5.3.9 Korngrenzenzerfall (Pest) 310
5.3.10 Zundergrenze 310
5.4 Aufkohlung 312
5.4.1 Allgemeines 312
5.4.2 Besondere Erscheinungsformen der Aufkohlung 316
5.4.2.1 Metal Dusting 316
5.4.2.2 Grünfäule 318
5.5 Entkohlung 319
5.6 Aufstickung 320
5.7 Aufschwefelung 322
5.8 Heißgaskorrosion 325
5.8.1 Begriffe und Einführung 325
5.8.2 Korrosiv e Substanzen bei Verbrennungsprozessen 327
5.8.3 Prüfmethoden 330
5.8.4 Mechanismen der Heißgaskorrosion 332
5.8.4.1 Allgemeines 332
5.8.4.2 Niedertemperatur(Typ II-) Heißgaskorrosion 335
5.8.4.3 Hochtemperatur(Typ I-) Heißgaskorrosion 339
5.8.4.4 Einflüsse weiterer Elemente 345
5.8.5 Zusammenfassung und Aspekte der Werkstoffwahl 347
5.9 Erosion-Korrosion-Wechselwirkungen 351
5.10 Korrosionsbedingte Volumenänderungen 352
5.11 Wechselwirkungen zwischen Korrosion und mechanischen Eigenschaften 353
6 Hochtemperaturlegierungen 358
6.1 Definition und Anwendungsgebiete 358
6.2 Beanspruchungen und Werkstoffanforderungen 358
6.3 Auswahlkriterien für Basiselemente und Übersicht über Hochtemperatur-Werkstoffgruppen 361
6.4 Hochtemperaturlegierungen auf Fe-Basis 366
6.4.1 Übersicht 366
6.4.2 Hitzebeständige Stähle 370
6.4.3 Warmfeste Stähle 374
6.4.4 Hochw armfeste Stähle 375
6.5 Hochtemperaturlegierungen auf Co-Basis 381
6.5.1 Allgemeines und Vergleich 381
6.5.2 Legierungsaufbau, Gefüge und Eigenschaften 382
6.6 Hochtemperaturlegierungen auf Ni-Basis 387
6.6.1 Allgemeines und Vergleich 387
6.6.2 Mikroseigerungsverhalten bei der Erstarrung 393
6.6.3 Phasen in Ni-Basislegierungen 398
6.6.3.1 Der .-Mischkristall 398
6.6.3.2 Die .'-Phase 399
6.6.3.3 Karbide 410
6.6.3.4 TCP-Phasen und Phaseninstabilitäten 412
6.6.3.5 Weitere Phasen 417
6.6.4 Wärmebehandlung .'-gehärteter Ni-Basislegierungen 419
6.6.4.1 Allgemeines 419
6.6.4.2 Ausgangswärmebehandlung 420
6.6.4.3 Heiß-isostatisches Pressen (HIP) 434
6.6.4.4 Regenerierende Wärmebehandlung 436
6.6.5 Korrosionseigenschaften 436
6.7 Gerichtet erstarrte Superlegierungen 438
6.7.1 Allgemeines 438
6.7.2 Herstellung 439
6.7.2.1 Prinzip der gerichteten Erstarrung 439
6.7.2.2 Verfahrensparameter und Gefügefehler 442
6.7.3 Besondere Eigenschaften gerichtet erstarrter Legierungen 449
6.7.4 Rekristallisation gerichtet erstarrter Bauteile 454
6.8 Gerichtet rekristallisierte Dispersions-Superlegierungen 457
6.8.1 Allgemeines 457
6.8.2 Legierungstypen 459
6.8.3 Herstellung 459
6.8.4 Rekristallisation 461
6.8.5 Legierungsaufbau und besondere Eigenschaften 464
6.8.6 Blechlegierungen 465
6.8.7 Korrosionsund Beschichtungsverhalten 466
6.9 Hochschmelzende Legierungen 468
6.9.1 Allgemeines 468
6.9.2 Festigkeitssteigerung und Legierungsaufbau 471
6.9.3 Aktuelle Entwicklungen 471
6.10 Intermetallische Phasen als Konstruktionswerkstoffe 473
6.10.1 Allgemeines 473
6.10.2 Klassifizierung der intermetallischen Phasen 474
6.10.3 Besondere Eigenschaften der intermetallischen Phasen 478
6.10.4 Potenzielle intermetallische Konstruktionswerkstoffe 480
6.11 Edelmetalllegierungen 487
6.12 Verunreinigungen und Reinheitsgradverbesserung 488
6.12.1 Allgemeines 488
6.12.2 Einflüsse von Verunreinigungen auf die Eigenschaften 489
6.12.3 Maßnahmen zur Reinheitsgradverbesserung 493
6.13 Vergleich von Hochtemperaturwerkstoffen und Aspekte der Werkstoffwahl 494
7 Hochtemperaturbeschichtungen 503
7.1 Hochtemperatur-Korrosionsschutzschichten 503
7.1.1 Funktion 503
7.1.2 Beanspruchungen und Anforderungen 504
7.1.3 Aufbringverfahren 505
7.1.3.1 CVD-Verfahren 507
7.1.3.2 PVD-Verfahren 512
7.1.3.3 Thermische Spritzverfahren 513
7.1.3.4 Plattieren 517
7.1.4 Beschichtungsarten und Eigenschaften 517
7.1.4.1 Diffusionsschichten 518
7.1.4.2 Auflageschichten 520
7.1.5 Thermisch-mechanisches Verhalten beschichteter Bauteile 526
7.1.5.1 Wärmespannungen in Werkstoffverbunden 526
7.1.5.2 Physikalische und mechanische Eigenschaften von Beschichtungen 530
7.1.5.3 Thermozyklisches Verhalten 534
7.2 Wärmedämmschichten 538
7.2.1 Funktion 538
7.2.2 Anforderungen 543
7.2.3 Aufbringverfahren für Keramikschichten 544
7.2.4 Arten und Eigenschaften 544
7.2.4.1 Keramikschichten 545
7.2.4.2 Haftschichten 550
8 Maßnahmen an betriebsbeanspruchten Bauteilen 553
8.1 Zustandsbeurteilungen 553
8.2 Rekonditionierungsmaßnahmen 561
Literatur 564
Anhang 1 Berechnung von Volumenanteilen der .'-Phase 580
Anhang 2: Chemische Zusammensetzungen 584
Anhang 3 Handelsnamen 591
Werkstoffverzeichnis 592
Sachwortverzeichnis 596