Einkristallguss (Turbinenschaufeln)

Langsames Erstarren von einem Ende aus lässt das Teil als ein einziger Kristall wachsen

Beim Einkristallguss entsteht ein Metallteil, das ein einziger durchgehender Kristall ist, ganz ohne Korngrenzen (die Nahtstellen zwischen Kristallen). Es wird für die heißesten Turbinenschaufeln in Strahltriebwerken und Gasturbinen von Kraftwerken verwendet. Diese Schaufeln drehen sich Tausende Stunden rotglühend, und an den Korngrenzen würden sie kriechen (sich langsam dehnen) und reißen.

Foto: Lee Langston, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

Einkristallguss · Ziehofen und KornartenDie linke Zeichnung zeigt die Schaufelform, die aus dem Ofen gezogen wird; der Kasten rechts vergleicht Kornarten. Die eingekreisten Zahlen entsprechen den Schritten unten.

So funktioniert es

Eine Keramikform herstellen. Wie beim Feinguss (Lektion 1.2) wird eine Wachsschaufel mit Keramik überzogen und ausgeschmolzen. Ein Keramikkern im Inneren formt die Kühlkanäle der Schaufel, und unter der Schaufel wird ein spiralförmiger Durchgang ergänzt, der Kornselektor.
In eine heiße Form gießen. Die Form steht auf einer Kühlplatte in einem Vakuumofen, damit die Nickel-Superlegierung nicht mit Luft reagieren kann. Die Form wird über den Schmelzpunkt des Metalls erhitzt, auf etwa 1.500 °C, und das Metall wird eingegossen.
Das Erstarren von unten beginnen. Die wassergekühlte Kühlplatte lässt das Metall unten zuerst erstarren. Im Starterblock beginnen viele kleine Kristalle, die alle nach oben wachsen.
Einen Kristall durchlassen. Der spiralförmige Kornselektor ist zu verwunden, als dass die meisten Kristalle ihm folgen könnten; meist schafft es nur einer oben heraus. Alternativ kann ein Impfkristall verwendet werden, um dessen Richtung vorzugeben.
Langsam herausziehen. Die Form wird durch eine Blende aus der heißen Zone abgesenkt, typischerweise einige Zentimeter pro Stunde. Die Erstarrungsfront bleibt an der Blende eben, und der Einkristall wächst durch die gesamte Schaufel nach oben.
Die Schale entfernen und prüfen. Die Keramik wird abgebrochen und der Kern aufgelöst. Jede Schaufel wird geätzt und geprüft, mit Röntgenstrahlen und Messung der Kristallorientierung, um zu bestätigen, dass sie ein einziger Kristall ist.

Wichtige Fakten

Werkstoffe: Nickelbasierte Superlegierungen (hitzebeständige Legierungen aus Nickel mit Chrom, Kobalt, Aluminium, Rhenium und anderen)
Typische Teile: Hochdruck-Turbinenschaufeln und -Leitschaufeln in Strahltriebwerken und Gasturbinen
Bauteilgröße: Flugzeugschaufeln sind einige Zentimeter bis etwa 15 cm lang; Kraftwerksschaufeln können um ein Mehrfaches größer sein
Präzision: Feingussniveau, etwa ±0,1 mm, mit feinen Kühlbohrungen, die später gebohrt werden
Oberfläche: Glatt: Ra (mittlere Rauheit) etwa 1 bis 3 µm, danach beschichtet
Geeignete Losgröße: Tausende bis Hunderttausende Schaufeln pro Jahr und Triebwerksprogramm
Werkzeug- und Maschinenkosten: Vakuum-Ziehöfen kosten Millionen Dollar; jede Schaufel kostet Hunderte bis Tausende Dollar
Geschwindigkeit: Langsam: einige Stunden pro Ziehvorgang, mit mehreren Formen pro Ofenladung

Stärken und Grenzen

Stärken

Keine Korngrenzen, daher hervorragende Beständigkeit gegen Kriechen und Rissbildung bei Rotglut
Lässt Triebwerke heißer laufen, was Kraftstoff spart
Die Kristallrichtung lässt sich für beste Steifigkeit und Ermüdungslebensdauer wählen
Komplexe innere Kühlkanäle entstehen durch den Keramikkern

Grenzen

Sehr langsam und teuer
Viele Schaufeln werden ausgesondert, wenn sich Fremdkörner bilden
Braucht Vakuumöfen und teure Legierungen mit seltenen Elementen wie Rhenium
Nur für kleine Teile von sehr hohem Wert praktikabel

Wo es eingesetzt wird

Luft- und RaumfahrtHochdruck-Turbinenschaufeln und -Leitschaufeln von Strahltriebwerken
EnergieerzeugungSchaufeln der ersten Stufe großer Gasturbinen
VerteidigungMilitärische Strahl- und Hubschraubertriebwerke
ForschungEinkristallproben zur Untersuchung von Legierungen

So erkennen Sie es

An einer fertigen, beschichteten Schaufel sieht man es meist nicht: Sie sieht aus wie jedes Präzisionsgussteil.
Nach dem Ätzen (einem Säurebad, das Körner sichtbar macht) zeigt eine Einkristallschaufel eine gleichmäßige Fläche ohne Kornmuster.
Eine gewöhnliche Gussschaufel zeigt ein Flickenmuster aus Körnern; eine gerichtet erstarrte zeigt lange Streifen von der Wurzel bis zur Spitze.
Winzige Kühlbohrungen an der Oberfläche und ein tannenbaumförmiger Fuß, typisch für Schaufeln im Heißteil.

Im Vergleich mit

Feinguss1.2dasselbe Verfahren mit Wachs und Keramikschale; der Einkristallguss ergänzt kontrolliertes, langsames Erstarren von einem Ende aus.Czochralski-Kristallzüchtung13.1züchtet ebenfalls einen Einkristall, zieht aber Silizium aus einer Schmelze, um runde Barren herzustellen, keine geformten Teile.Laser-Pulverbettschmelzen8.4baut Superlegierungsteile Schicht für Schicht auf, aber mit vielen kleinen Körnern.

Ansehen

Magic Marks · Eine kurze Erklärung des langsamen, einseitigen Erstarrens hinter Einkristallen

Asianometry · Die Geschichte von gewöhnlichen über stängelkristalline bis zu Einkristall-Schaufeln

Jetline Marvel · Warum diese Schaufeln so schwer herzustellen sind und warum so viele ausgesondert werden

The Business Times · Echtes Filmmaterial aus einer Turbinenschaufel-Fabrik

Echte Fotos ansehen

Wikipedia: Turbinenschaufel — Schaufelwerkstoffe, Kühlung und Hintergründe zum Gießen
Wikipedia: Gerichtete Erstarrung — das langsame, einseitige Erstarrungsverfahren
Fotosuche auf Wikimedia Commons

Merken

Ziel ist ein Teil ohne Korngrenzen, die bei Rotglut schwach sind.
Langsames Erstarren von unten nach oben plus ein spiralförmiger Selektor lässt nur einen Kristall wachsen.
Extrem langsam und teuer, daher den heißesten Turbinenschaufeln vorbehalten.