Welche Wärmebehandlungen sind nach der Bearbeitung von Superlegierungsteilen üblich?
Die Wärmebehandlung von Superlegierungskomponenten nach der Bearbeitung ist ein entscheidender und unverzichtbarer Schritt, um die geforderten mechanischen Eigenschaften, Maßstabilität und Lebensdauer unter extremen Einsatzbedingungen zu erreichen. Im Gegensatz zu einfacheren Legierungen sind Superlegierungen wie Inconel, Waspaloy und Haynes für Hochleistungsanwendungen ausgelegt, und ihre Mikrostruktur muss durch präzise gesteuerte thermische Zyklen eingestellt werden. Die erforderlichen Prozesse richten sich nach dem Ausgangszustand des Materials und den geforderten Endeigenschaften des Bauteils.
Wichtige Wärmebehandlungen nach der Bearbeitung
Superlegierungen werden in der Regel im „geglühten“ oder „lösungsgeglühten“ Zustand geliefert, um ihre Bearbeitbarkeit zu verbessern. Nach der Formgebung durch CNC-Bearbeitung werden die folgenden Wärmebehandlungen angewendet, um das volle Leistungspotenzial zu entfalten.
1. Lösungsglühen / Lösungshärtung
Dies ist häufig der erste Schritt in einem mehrstufigen Wärmebehandlungsprozess, insbesondere wenn das Bauteil durch die Bearbeitung neue Spannungen oder Kaltverfestigung erfahren hat.
Zweck: Sekundärphasen (z. B. Gamma-Prime [γ'] oder Gamma-Double-Prime [γ'']) werden wieder in die feste Lösung eingebracht, um eine homogene einphasige Struktur zu erzeugen. Gleichzeitig werden die Körner rekristallisiert und alle durch die Bearbeitung entstandenen inneren Spannungen abgebaut.
Prozess: Das Bauteil wird auf eine hohe Temperatur erhitzt (typisch zwischen 925 °C und 1175 °C, je nach Legierung; z. B. Inconel 718 bei ca. 955 °C) und anschließend rasch abgeschreckt, meist durch Wasserabschrecken oder forcierte Luftkühlung.
Einsatzbereich: Als Zwischenschritt nach dem Schruppen vor dem Ausscheidungshärten oder als Endbehandlung für Bauteile, die maximale Duktilität und Korrosionsbeständigkeit bei mäßiger Festigkeit erfordern.
2. Ausscheidungshärten (Alterungshärtung)
Dies ist der wichtigste Festigungsmechanismus für die meisten Nickelbasis-Superlegierungen.
Zweck: Bildung einer gleichmäßigen Verteilung feiner, kohärenter Ausscheidungen (γ' oder γ''), die die Versetzungsbewegung behindern und damit die Streckgrenze, Zugfestigkeit und Kriechbeständigkeit bei hohen Temperaturen drastisch erhöhen.
Prozess: Das Werkstück wird auf eine mittlere Temperatur erhitzt (typisch 700 °C bis 815 °C) und für längere Zeit gehalten, häufig 8 bis 18 Stunden, manchmal in mehreren Stufen. Zum Beispiel wird Inconel 718 in zwei Stufen gealtert: 732 °C und 621 °C.
Einsatzbereich: Als abschließende Wärmebehandlung für nahezu alle hochfesten Superlegierungskomponenten in der Luft- und Raumfahrtindustrie und der Energieerzeugung. Sie erfolgt nach dem Lösungsglühen und nach der endgültigen Bearbeitung.
3. Spannungsarmglühen
Ein niederenergetischer Prozess, der ausschließlich auf Maßstabilität abzielt.
Zweck: Abbau von Eigenspannungen, die während der Bearbeitung entstanden sind, ohne die Mikrostruktur oder mechanischen Eigenschaften wesentlich zu verändern. Dies ist entscheidend, um Verformungen während des Einsatzes oder bei nachfolgenden Prozessen zu vermeiden.
Prozess: Erwärmung auf eine Temperatur unterhalb des Lösungsglühbereichs (häufig 600 °C bis 870 °C) für mehrere Stunden, anschließend langsame Abkühlung.
Einsatzbereich: Als Zwischenschritt zwischen Schruppen und Schlichten bei komplexen, dünnwandigen Bauteilen, um Spannungen vor der Endbearbeitung abzubauen. Auch als Endbehandlung für Teile, bei denen keine vollständige Wärmebehandlung erforderlich ist, Stabilität jedoch entscheidend ist.
Typische Abfolge und technische Überlegungen
Ein Standardprozess für ein Hochintegritätsbauteil wie eine Turbinenschaufel oder eine kritische Motorkomponente umfasst:
Schruppen: Bearbeitung des Teils bis auf ca. 1–2 mm vom Endmaß aus geglühtem Vormaterial.
(Optional) Spannungsarmglühen: Zur Minimierung von Verzug infolge der Schruppbearbeitung.
Lösungsglühen: Zum Homogenisieren der Struktur und Auflösen der Ausscheidungen.
Endbearbeitung: Mit dem Präzisionsbearbeitungsservice werden Endmaße und Oberflächengüte erreicht.
Ausscheidungshärten (Alterung): Letzter Schritt zur Erreichung der geforderten Festigkeit. Hinweis: Die Alterung verursacht minimale Maßänderungen und eignet sich daher für die Behandlung nach der Endbearbeitung.
Wichtige technische Hinweise:
Oberflächenreinheit: Superlegierungen sind während der Wärmebehandlung äußerst empfindlich gegenüber Oberflächenverunreinigungen. Elemente wie Schwefel, Blei oder Zink aus Markierungen können zu starker Sprödigkeit führen. Teile müssen gründlich gereinigt und in sauberen, gut gewarteten Öfen unter Schutzatmosphäre oder Vakuum behandelt werden.
Abschrecken: Das schnelle Abschrecken nach dem Lösungsglühen ist notwendig, um die übersättigte feste Lösung zu erhalten, kann jedoch neue Spannungen einführen. Für komplexe Geometrien sind kontrollierte Abschreckraten erforderlich, um Rissbildung zu verhindern.
Industrienormen: Alle Wärmebehandlungen müssen strengen Normen und Kundenspezifikationen entsprechen (z. B. AMS, MIL-H, oder herstellerspezifische Vorgaben). Zeit- und Temperaturparameter sind entscheidend, um die gewünschten Eigenschaften dieser hochwertigen Bauteile zu erzielen.
