Hochtemperaturmetalllegierungen

Hochtemperaturmetalllegierungen sind Werkstoffe, die in hohen Betriebstemperaturen über längere Zeit hinweg ihre Festigkeit, Formbeständigkeit und Oft auch ihre Oxidationsbeständigkeit behalten. Typische Einsatztemperaturen liegen je nach Legierung im Bereich von etwa 650 bis 1.000 °C. Zentrale Merkmale sind geringe Kriechverformung, thermische Stabilität, gute Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit sowie eine geeignete Verarbeitbarkeit. In Nickelbasislegierungen spielt die ausscheidungshärtende gamma’ Phase eine zentrale Rolle für die Hochtemperatureigenschaften.

Die wichtigsten Gruppen sind nickelbasierte Superlegierungen, cobaltbasierte Legierungen und eisenbasierte hochtemperaturfähige Stähle. Nickelbasierte Legierungen dominieren Turbinenteile und Hochtemperaturkomponenten, weil sie durch gamma’ Ausscheidungshärtung eine hohe Festigkeit bei hohen Temperaturen zeigen. Beispiele sind Inconel 718, Inconel 625, Nimonic 75/80, Rene 80 sowie CMSX-4. Cobaltbasierte Legierungen (Stellite- und ähnliche Co-Cr- bzw. Co-Ni-Verbindungen) werden dort eingesetzt, wo höchste Verschleiß- und Oxidationsbeständigkeit gefordert ist. Eisenbasierte Hochtemperaturstähle wie martensitische oder austenitische Legierungen (z. B. P91, P92) finden vor allem in Kraftwerks- und Industrieanlagen Anwendung.

Mikrostruktur und Schutz oberflächlicher Schichten sind entscheidend. Typisch sind harte Ausscheidungsphasen in einer Matrix, Carbide und mögliche Phasen wie sigma- oder NbC-Verbindungen, die Kriechfestigkeit erhöhen. Oxidations- und Korrosionsschutz werden durch Legierungsbestandteile wie Cr, Al und Ti verbessert. Oberflächen- und Korrosionsschutz erfolgen häufig über Beschichtungen wie MCrAlY-Schichten oder thermische Barriereschichten (YSZ) für Turbinenteile.

Herstellung erfolgt durch Gießen, Schmieden und Wärmebehandlung, ergänzt durch moderne additive Fertigung. Anwendungen finden sich vorwiegend in Flug- und Gasturbinen, Kraftwerksanlagen, chemischer Industrie und Reaktorkomponenten. Forschungen zielen auf höhere Temperaturfestigkeit, verbesserte Beständigkeit gegen Risse und neue Ausscheidungsphasen.