CNC-Bearbeitung · einkristalline Superlegierung CMSX-10
Turbinenschaufeln
Veröffentlicht mit Einverständnis des Kunden.
Laufschaufeln für die Turbine eines Heizkraftwerks, zerspant aus CMSX-10 — einer einkristallinen Nickel-Superlegierung der dritten Generation. Der Gusskörper hat an keiner Stelle eine Korngrenze. Die Aufgabe besteht darin, dass das so bleibt.
Der Werkstoff
CMSX-10 wird weder feinkörnig noch gerichtet erstarrt gegossen. Es wird als ein einziger Kristall gezüchtet, weil Korngrenzen der Ort sind, an dem bei den Betriebstemperaturen einer Turbinenschaufel das Kriechversagen beginnt — also wird die Legierung ganz ohne sie hergestellt.
Sie enthält rund 6 % Rhenium, doppelt so viel wie die Legierungen der zweiten Generation, die sie abgelöst hat, und besitzt die höchste Kriechfestigkeit aller in Serie gegossenen einkristallinen Nickellegierungen: etwa 30 °C besser als CMSX-4, bei zwei- bis dreifach höherer Ermüdungsfestigkeit. Rhenium gehört zu den seltensten industriell genutzten Metallen. Der Rohling kommt mit einem höheren Wert an als die meisten fertigen Teile.
Warum ihre Zerspanung ein anderes Problem ist
Bei gewöhnlichen Metallen zeigt sich ein Bearbeitungsfehler sofort als Maß außerhalb der Toleranz. Hier kann er sich Jahre später im Betrieb zeigen.
Das Zerspanen hinterlässt plastische Verformung in der Randschicht. In einer einkristallinen Legierung ist diese gespeicherte Verformung ein Keim: Bei Betriebstemperatur kann die geschädigte Schicht rekristallisieren — neue Körner bilden, mit Grenzen dazwischen — in einem Teil, dessen ganzer Zweck es war, keine zu haben. Die Schaufel besteht die Prüfung, hält jedes Maß und hat still die Eigenschaft verloren, für die sie gefertigt wurde.
Die Randbedingung ist also nicht nur, wohin das Werkzeug geht, sondern wie stark es dabei drückt. Die Schnittkräfte müssen so niedrig bleiben, dass die Randschicht unverformt bleibt, was die aggressiven Strategien ausschließt, die harte Werkstoffe überall sonst wirtschaftlich zerspanbar machen.
Hinzu kommt, dass sich die Legierung unter dem Werkzeug wie jede Nickel-Superlegierung verhält, nur ausgeprägter: Sie verfestigt sich beim Zerspanen, sie leitet die Wärme in die Schneide statt in den Span, und ihre γ′-Ausscheidungen sowie der hohe Anteil an Refraktärmetallen wirken abrasiv.
Technische Daten
- Werkstoff
- CMSX-10 — einkristalline Nickel-Superlegierung der dritten Generation
- Rheniumgehalt
- ~6 Gew.-%
- Korngrenzen
- keine; als Einkristall gegossen
- Schaufeltyp
- Laufschaufel
- Anwendung
- Turbine eines Heizkraftwerks