Rene 108
Einführung in Rene 108
Rene 108 ist eine Hochleistungs-Superlegierung auf Nickelbasis, die für Anwendungen entwickelt wurde, die außergewöhnliche Festigkeit, Oxidationsbeständigkeit und Kriechbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen erfordern. Rene 108 wird häufig in kritischen Bereichen der Luft- und Raumfahrt sowie der Energieerzeugung eingesetzt und bewahrt seine strukturelle Integrität in Umgebungen, in denen Bauteile zyklischen thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt sind. Seine Fähigkeit, hohen Temperaturen standzuhalten und dabei hervorragende mechanische Eigenschaften beizubehalten, macht es ideal für Turbinentriebwerke, Brennkammern und andere hocheffiziente Energiesysteme.
CNC-Bearbeitungsdienstleistungen werden häufig eingesetzt, um Rene-108-Komponenten herzustellen und die strengen Anforderungen dieser Anwendungen zu erfüllen. Die CNC-Bearbeitung bietet die Präzision und Wiederholgenauigkeit, die für die Fertigung von Turbinenschaufeln, Hitzeschutzblechen und anderen kritischen Teilen erforderlich ist, die unter extremen Bedingungen ihre Integrität bewahren müssen.
Chemische, physikalische und mechanische Eigenschaften von Rene 108
Rene 108 (UNS N07085 / W.Nr. 2.4958) ist eine Nickel-Chrom-Aluminium-Legierung, die für maximale Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit unter Hochtemperaturbedingungen ausgelegt ist, insbesondere in Gasturbinen und Strahltriebwerken.
Chemische Zusammensetzung (typisch)
Element | Zusammensetzungsbereich (Gew.-%) | Hauptfunktion |
|---|---|---|
Nickel (Ni) | Rest (~50,0) | Basismatrix; bietet Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen |
Chrom (Cr) | 12,0–15,0 | Bildet eine schützende Cr₂O₃-Oxidschicht, die die Oxidationsbeständigkeit erhöht |
Kobalt (Co) | 7,5–9,0 | Verbessert die Hochtemperaturfestigkeit und die Beständigkeit gegen thermische Ermüdung |
Molybdän (Mo) | 2,0–3,0 | Verfestigt die Legierung und verbessert die Kriechbeständigkeit unter Spannung |
Titan (Ti) | 2,0–3,0 | Bildet die γ′-Phase zur Ausscheidungsverfestigung und verbessert die Ermüdungsbeständigkeit |
Aluminium (Al) | 1,5–2,5 | Trägt zur Bildung der γ′-Phase bei und erhöht Festigkeit sowie Kriechbeständigkeit |
Eisen (Fe) | ≤1,0 | Restelement |
Kohlenstoff (C) | ≤0,08 | Bildet Karbide zur Verbesserung der Hochtemperaturfestigkeit und Verschleißbeständigkeit |
Mangan (Mn) | ≤1,0 | Verbessert die Warmumformbarkeit und reduziert Karbidbildung |
Silizium (Si) | ≤0,5 | Erhöht die Oxidationsbeständigkeit und verbessert die Hochtemperaturstabilität |
Bor (B) | ≤0,005 | Verfestigt Korngrenzen und verbessert die Kriechbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen |
Zirkonium (Zr) | ≤0,05 | Erhöht die Zeitstandfestigkeit und Stabilität des Werkstoffs |
Physikalische Eigenschaften
Eigenschaft | Wert (typisch) | Prüfnorm / Bedingung |
|---|---|---|
Dichte | 8,4 g/cm³ | ASTM B311 |
Schmelzbereich | 1330–1370°C | ASTM E1268 |
Wärmeleitfähigkeit | 13,0 W/m·K bei 100°C | ASTM E1225 |
Elektrischer Widerstand | 1,12 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 | 215 GPa bei 20°C | ASTM E111 |
Mechanische Eigenschaften (Lösungsglühen + Auslagern)
Eigenschaft | Wert (typisch) | Prüfnorm |
|---|---|---|
Zugfestigkeit | 1100–1250 MPa | ASTM E8/E8M |
Streckgrenze (0,2%) | 850–1050 MPa | ASTM E8/E8M |
Bruchdehnung | ≥18% | ASTM E8/E8M |
Härte | 240–280 HB | ASTM E10 |
Zeitstandfestigkeit | 220 MPa bei 900°C (1000h) | ASTM E139 |
Ermüdungsfestigkeit | Ausgezeichnet | ASTM E466 |
Zentrale Eigenschaften von Rene 108
Hochtemperaturfestigkeit Rene 108 ist so ausgelegt, dass es eine Zugfestigkeit von über 1100 MPa bei Temperaturen bis zu 900°C beibehält, was es ideal für Turbinentriebwerke in der Luft- und Raumfahrt sowie für Hochleistungskomponenten in der Energieerzeugung macht.
Ausscheidungsverfestigung Die γ′-Phase (Ni₃Ti) erhöht die Werkstofffestigkeit durch Auslagerungsbehandlungen und ermöglicht hervorragende Leistung unter thermischer Beanspruchung und zyklischer Belastung.
Überlegene Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit Chrom und Aluminium verbessern die Fähigkeit der Legierung, eine schützende Oxidschicht zu bilden, und bieten Beständigkeit gegen Oxidation und Korrosion bei Temperaturen bis zu 1050°C.
Kriech- und Ermüdungsbeständigkeit Die ausgezeichnete Zeitstandfestigkeit der Legierung gewährleistet ihre strukturelle Integrität bei langfristiger Einwirkung erhöhter Temperaturen und Spannungen. Zudem weist sie eine herausragende Ermüdungsbeständigkeit auf, die für Turbinenschaufeln und andere kritische Komponenten entscheidend ist.
Gute Schweißbarkeit Rene 108 behält eine gute Schweißbarkeit bei und ermöglicht Reparaturen sowie Fügeverfahren ohne nennenswerte Festigkeitsabnahme, selbst in der Wärmeeinflusszone.
Herausforderungen und Lösungen bei der CNC-Bearbeitung von Rene 108
Bearbeitungsherausforderungen
Werkzeugverschleiß und Schneidkantenausbrüche
Aufgrund seiner hohen Härte und Mischkristallverfestigung beschleunigt Rene 108 den Werkzeugverschleiß, insbesondere bei Hartmetallwerkzeugen während der Bearbeitung.
Wärmeentwicklung
Die geringe Wärmeleitfähigkeit der Legierung führt zu hohen Temperaturen in der Schneidzone, wodurch effiziente Kühlmethoden erforderlich sind, um Maßverzug und Werkzeugschädigung zu vermeiden.
Kaltverfestigung
Die Kaltverfestigungseigenschaften von Rene 108 erfordern eine sorgfältige Kontrolle der Bearbeitungsparameter, um eine übermäßige Oberflächenhärtung zu vermeiden und den Werkzeugverschleiß zu minimieren.
Optimierte Bearbeitungsstrategien
Werkzeugauswahl
Parameter | Empfehlung | Begründung |
|---|---|---|
Werkzeugmaterial | Hartmetall (K20–K30) oder CBN-Einsätze für die Feinbearbeitung | Beständig gegen hohe Schnitt-Temperaturen und Verschleiß |
Beschichtung | AlTiN oder TiSiN PVD (3–5 µm) | Reduziert Reibung und verbessert die Standzeit |
Geometrie | Positiver Spanwinkel (6–8°), scharfe Schneide (~0,05 mm) | Reduziert Schnittkräfte und minimiert Kaltverfestigung |
Schnittparameter (ISO-3685-konform)
Operation | Geschwindigkeit (m/min) | Vorschub (mm/U) | Schnitttiefe (mm) | Kühldruck (bar) |
|---|---|---|---|---|
Schruppen | 12–20 | 0,15–0,25 | 2,0–3,0 | 100–120 |
Schlichten | 25–35 | 0,05–0,10 | 0,3–0,8 | 120–150 |
Oberflächenbehandlung für bearbeitete Rene-108-Teile
Heißisostatisches Pressen (HIP)
HIP eliminiert innere Porosität und verbessert die Ermüdungsfestigkeit von Rene-108-Komponenten um mehr als 25%, was es ideal für Turbinenschaufeln und andere kritische Luft- und Raumfahrtteile macht.
Wärmebehandlung
Wärmebehandlung umfasst eine Lösungsglühbehandlung bei 1100°C, gefolgt von Auslagern bei 800°C, um die Bildung der γ′-Phase zu maximieren und Kriechbeständigkeit sowie Zugfestigkeit zu erhöhen.
Superlegierungs-Schweißen
Superlegierungs-Schweißen liefert rissfreie, hochfeste Schweißnähte mit minimaler Abnahme der mechanischen Eigenschaften in der Wärmeeinflusszone und stellt so die strukturelle Integrität sicher.
Thermische Schutzschicht (TBC)
TBC-Beschichtung verbessert die Bauteilleistung, indem sie die Oberflächenbetriebstemperaturen um bis zu 200°C senkt und die Lebensdauer von Turbinenschaufeln sowie Abgaskomponenten verlängert.
Funkenerosion (EDM)
EDM ermöglicht die hochpräzise Bearbeitung von Kühlbohrungen und komplexen Merkmalen in Rene 108 und erreicht Toleranzen von ±0,005 mm ohne thermische Verzüge.
Tieflochbohren
Tieflochbohren erreicht L/D-Verhältnisse >30:1 und Koaxialitätsabweichungen <0,3 mm/m, was für die Herstellung tiefer, präziser Kanäle in Gasturbinen essenziell ist.
Materialprüfung und Analyse
Materialprüfung umfasst Zug-, Kriech-, Ermüdungs- und Röntgenbeugungsprüfungen, um die mechanischen Eigenschaften von Rene 108 für Hochleistungs-Luft- und Raumfahrtkomponenten zu verifizieren.
Industrielle Anwendungen von Rene-108-Komponenten
Triebwerke für die Luft- und Raumfahrt: Hochleistungs-Turbinenschaufeln, Verdichterscheiben und Hitzeschutzbleche, die zyklischen thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt sind.
Energieerzeugung: Gasturbinen-Schaufeln, Düsen und Leitschaufeln, die in hocheffizienten Turbinen betrieben werden.
Kernreaktoren: Druckbehälter, Reaktorkomponenten und Ventile, die hoher Strahlung und thermischen Bedingungen ausgesetzt sind.
Automotive Turbosysteme: Turboladerkomponenten und hochleistungsfähige Auslassventile für Rennmotoren.
Industrieanlagen für Wärmebehandlung: Ofenkomponenten, Dichtungen und Vorrichtungen in Hochtemperatur-Industrieprozessen.
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