Rene 104
Einführung in Rene 104
Rene 104 ist eine Hochleistungs-Superlegierung auf Nickelbasis, die für ihre ausgezeichnete Hochtemperaturfestigkeit, Oxidationsbeständigkeit und Kriechbeständigkeit bekannt ist. Sie wurde in erster Linie für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Energieerzeugung entwickelt und eignet sich ideal für Bauteile, die extremen mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt sind, wie Turbinenschaufeln, Verdichterscheiben und Gasturbinenkomponenten. Rene 104 bietet eine überlegene Festigkeitsbeibehaltung und Maßstabilität bei Temperaturen über 1000°C und zählt damit zu den zuverlässigsten Werkstoffen für hocheffiziente Turbinen und Triebwerke.
Aufgrund der anspruchsvollen Einsatzbedingungen werden CNC-Bearbeitungsdienstleistungen eingesetzt, um hochpräzise Komponenten aus Rene 104 herzustellen und enge Toleranzen sowie optimale Leistung sicherzustellen. Die CNC-Bearbeitung bietet die Wiederholgenauigkeit, Präzision und Zuverlässigkeit, die für derart kritische Bauteile erforderlich sind.
Chemische, physikalische und mechanische Eigenschaften von Rene 104
Rene 104 (UNS N07040 / W.Nr. 2.4954) ist eine Superlegierung auf Nickelbasis mit einer hochoptimierten Zusammensetzung, die darauf ausgelegt ist, Festigkeit, Oxidationsbeständigkeit und thermische Stabilität zu maximieren.
Chemische Zusammensetzung (typisch)
Element | Zusammensetzungsbereich (Gew.-%) | Hauptfunktion |
|---|---|---|
Nickel (Ni) | Rest (~50,0) | Basismatrix; bietet Oxidationsbeständigkeit und Festigkeit bei hohen Temperaturen |
Chrom (Cr) | 13,0–16,0 | Bildet eine stabile Cr₂O₃-Oxidschicht für überlegene Oxidationsbeständigkeit |
Kobalt (Co) | 8,5–10,0 | Erhöht die Festigkeit und verbessert die Beständigkeit gegen thermische Ermüdung |
Molybdän (Mo) | 2,5–3,5 | Erhöht Kriechbeständigkeit und Festigkeit bei erhöhten Temperaturen |
Titan (Ti) | 2,0–2,5 | Bildet verfestigende Phasen (γ′, γ″), die die mechanischen Eigenschaften verbessern |
Aluminium (Al) | 1,0–2,0 | Trägt zur Ausscheidungshärtung über die γ′-Phase (Ni₃Al) bei |
Eisen (Fe) | ≤1,0 | Restelement |
Kohlenstoff (C) | ≤0,08 | Karbidbildung verbessert Festigkeit und Verschleißbeständigkeit |
Mangan (Mn) | ≤0,5 | Verbessert die Warmumformbarkeit und reduziert Karbidbildung |
Silizium (Si) | ≤0,5 | Erhöht die Oxidationsbeständigkeit und Hochtemperaturstabilität |
Bor (B) | ≤0,005 | Verfestigt Korngrenzen und verbessert die Kriechbeständigkeit |
Zirkonium (Zr) | ≤0,05 | Verbessert Zeitstandfestigkeit und Stabilität bei hohen Temperaturen |
Physikalische Eigenschaften
Eigenschaft | Wert (typisch) | Prüfnorm / Bedingung |
|---|---|---|
Dichte | 8,3 g/cm³ | ASTM B311 |
Schmelzbereich | 1325–1375°C | ASTM E1268 |
Wärmeleitfähigkeit | 13,2 W/m·K bei 100°C | ASTM E1225 |
Elektrischer Widerstand | 1,13 µΩ·m bei 20°C | ASTM B193 |
Wärmeausdehnung | 14,0 µm/m·°C (20–1000°C) | ASTM E228 |
Spezifische Wärmekapazität | 450 J/kg·K bei 20°C | ASTM E1269 |
Elastizitätsmodul | 210 GPa bei 20°C | ASTM E111 |
Mechanische Eigenschaften (Lösungsglühen + Auslagern)
Eigenschaft | Wert (typisch) | Prüfnorm |
|---|---|---|
Zugfestigkeit | 1000–1200 MPa | ASTM E8/E8M |
Streckgrenze (0,2%) | 800–950 MPa | ASTM E8/E8M |
Bruchdehnung | ≥20% | ASTM E8/E8M |
Härte | 240–270 HB | ASTM E10 |
Zeitstandfestigkeit | 210 MPa bei 900°C (1000h) | ASTM E139 |
Ermüdungsfestigkeit | Ausgezeichnet | ASTM E466 |
Zentrale Eigenschaften von Rene 104
Hochtemperaturfestigkeit und Ermüdungsbeständigkeit Rene 104 behält eine außergewöhnliche Zugfestigkeit bei erhöhten Temperaturen und erreicht Werte von über 1000 MPa bis zu 900°C, was es ideal für Gasturbinen und andere Hochtemperaturanwendungen macht.
Ausscheidungsverfestigung Die Festigkeit der Legierung resultiert hauptsächlich aus den γ′- und γ″-Phasen, die hohe Zug- und Ermüdungsfestigkeit liefern, ohne die Schweißbarkeit wesentlich zu beeinträchtigen.
Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit Der Chromgehalt ermöglicht die Bildung einer stabilen, schützenden Oxidschicht, wodurch Rene 104 in Umgebungen bis zu 1050°C sehr oxidationsbeständig ist.
Kriechbeständigkeit Mit einer Zeitstandfestigkeit von über 200 MPa bei 900°C ist Rene 104 darauf ausgelegt, langfristigen thermischen Lasten ohne nennenswerte Verformung standzuhalten und die Integrität von Turbinenschaufeln sowie anderen Bauteilen zu gewährleisten.
Gute Schweißbarkeit Die Chemie von Rene 104 ermöglicht eine zuverlässige Schweißbarkeit mit minimaler Heißrissneigung und guter Festigkeitsbeibehaltung in der Schweißzone, wodurch es sowohl für Neuteile als auch für Reparaturanwendungen geeignet ist.
Herausforderungen und Lösungen bei der CNC-Bearbeitung von Rene 104
Bearbeitungsherausforderungen
Werkzeugverschleiß und Schneidkantenausbrüche
Die hohe Härte und das Vorhandensein von Mischkristallverfestigungsphasen beschleunigen den Verschleiß von Hartmetallwerkzeugen während der Bearbeitung.
Wärmeentwicklung
Wenn sie nicht kontrolliert wird, führt die geringe Wärmeleitfähigkeit von Rene 104 zu hohen Temperaturen in der Schneidzone, was Werkzeugschädigung und Maßverzug verursachen kann.
Kaltverfestigung
Die Legierung zeigt eine ausgeprägte Kaltverfestigung während der Bearbeitung, was zu einer Erhöhung der Oberflächenhärte um bis zu 30% führen kann.
Optimierte Bearbeitungsstrategien
Werkzeugauswahl
Parameter | Empfehlung | Begründung |
|---|---|---|
Werkzeugmaterial | Hartmetall (K20–K30) oder CBN-Einsätze für die Feinbearbeitung | Hohe Beständigkeit gegen Verschleiß und hohe Temperaturen |
Beschichtung | AlTiN oder TiSiN PVD (3–5 µm) | Reduziert Reibung und Wärmestau |
Geometrie | Positiver Spanwinkel (6–8°), scharfe Schneide (~0,05 mm) | Reduziert Schnittkräfte und Kaltverfestigung |
Schnittparameter (ISO-3685-konform)
Operation | Geschwindigkeit (m/min) | Vorschub (mm/U) | Schnitttiefe (mm) | Kühldruck (bar) |
|---|---|---|---|---|
Schruppen | 15–25 | 0,10–0,20 | 2,0–3,0 | 100–120 |
Schlichten | 30–40 | 0,05–0,08 | 0,3–0,8 | 120–150 |
Oberflächenbehandlung für bearbeitete Rene-104-Teile
Heißisostatisches Pressen (HIP)
HIP verbessert die Bauteildichte und entfernt innere Hohlräume, wodurch die Ermüdungsfestigkeit für Turbinenkomponenten um >25% erhöht wird.
Wärmebehandlung
Wärmebehandlung umfasst eine Lösungsglühbehandlung bei ~1080°C, gefolgt von Auslagern bei 760°C, um die γ′-Phase zu optimieren und Kriech- sowie Ermüdungsbeständigkeit zu erhöhen.
Superlegierungs-Schweißen
Superlegierungs-Schweißen stellt feste, rissfreie Schweißnähte mit minimalem Festigkeitsverlust über die Wärmeeinflusszone hinweg sicher.
Thermische Schutzschicht (TBC)
TBC-Beschichtung senkt die Oberflächentemperatur um bis zu 250°C und verbessert die Dauerhaltbarkeit von Turbinenschaufeln und Düsen erheblich.
Funkenerosion (EDM)
EDM ermöglicht die Herstellung komplexer Merkmale und Kühlbohrungen mit engen Toleranzen, was für Hochleistungskomponenten entscheidend ist.
Tieflochbohren
Tieflochbohren gewährleistet präzise Innenkanäle mit L/D-Verhältnissen >30:1 und einer Koaxialitätsabweichung <0,3 mm/m.
Materialprüfung und Analyse
Materialprüfung umfasst Kriech-, Zug- und Ermüdungsprüfungen zur Bestätigung der Leistung bei erhöhten Temperaturen sowie mikrostrukturelle Analysen zur Verifizierung der γ′-Phasenverteilung.
Industrielle Anwendungen von Rene-104-Komponenten
Luft- und Raumfahrt-Turbinentriebwerke: Turbinenschaufeln, Verdichterscheiben und Dichtungen, die zyklischen thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt sind.
Energieerzeugung: Gasturbinenkomponenten wie Schaufeln, Leitschaufeln und Düsen, die in hocheffizienten Kraftwerken betrieben werden.
Kernreaktoren: Druckbehälter, Reaktorkerne und Steuerstäbe, die thermischen und Strahlungsbelastungen ausgesetzt sind.
Automotive Turbosysteme: Auslassventile, Turboladerkomponenten und hitzebeständige Motorteile.
Industrieanlagen: Hochtemperatur-Ofenkomponenten, Flansche und Ventile, die eine hohe Kriechbeständigkeit erfordern.
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