Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Lebensdauermethoden für mehrachsige und anisotherme Hochtemperaturermüdung

Bei Turbomaschinen, Luftfahrtantrieben und Motoren dominieren zyklische Betriebsweisen. Kritische Komponenten, wie Turbinenschaufeln, –scheiben, Motorblöcke, aber auch Armaturen sind dabei mehrachsigen thermomechanischen Ermüdungsbelastungen ausgesetzt. Um zukünftigen Anforderungen aus dieser typischen Fahrweise zu entsprechen, müssen die Auslegungsmethoden zur strukturmechanischen Analyse und Lebensdauerbewertung weiterentwickelt werden. Im Vorhaben soll die Lebensdauervorhersage um den wichtigen – aktuell nicht gesichert geklärten – Beitrag der Mehrachsigkeit systematisch erweitert werden. Als Werkstoff dient die einachsig gut untersuchte Schmiedelegierung IN718, die branchenübergreifend angewendet wird. Systematische experimentelle LCF- und TMF- Untersuchungen an mehrachsig belasteten Kreuzproben im Vergleich mit einachsigen Standard- und Miniaturproben und begleitende viskoplastische Simulationen schaffen ein bauteilnahes Datenfundament. Die abgestimmte Versuchsmatrix enthält neben einachsigen Standardproben Biaxialprobenversuche mit unterschiedlichen LCF-, TMF- Belastungskombinationen und einen TMF-Biaxialtest mit realem Industrie-Bauteilzyklus. Darauf aufbauend werden bekannte Lebensdauermodelle und Übertragungshypothesen vom einachsigen auf den mehrachsigen Fall geprüft und Vergleichshypothesen und Schädigungsparameter weiterentwickelt. Für die Simulationen kann auf ein etabliertes viskoplastisches Verformungsmodell für IN718 aufgesetzt werden. Begleitende Mikrostrukturuntersuchungen an Bruchflächen, Oberflächen und Schliffen klären die Versagensmechanismen. Im Ergebnis können besonders KMU Defizite oder Reserven bei der Bestimmung von Bauteil-Ermüdungslebensdauern erschließen, weil sie in die Lage versetzt werden, Verbesserungen beim Bauteil-Neudesign vorzunehmen und Inspektions- und Austauschintervalle präziser festzulegen. Nach Projektende steht die Methodik zur generischen Übertragung auf andere Werkstoffe bereit.

Ergebniszusammenfassung:

Es wurde das mehrachsige Ermüdungsverhalten der Nickelbasislegierung Inconel® 718 bei erhöhten Temperaturen (400 °C... 650 °C) für verschiedene planar-biaxiale Beanspruchungszustände untersucht. Es standen zwei Chargen IN718 von verschiedenen Lieferanten - Kraftwerksbau, Luftfahrtbranche - zur Verfügung. Insgesamt 14 planar-biaxiale LCF- und elf TMF-Versuche, 37 LCF- und 20 TMF-Versuche an einachsigen Proben und neun LCF- sowie zehn TMF-Versuche an Miniaturproben bilden eine umfangreiche Datenbasis.

Anhand einachsiger komplexer niederzyklischer Ermüdungsversuche (CLCF) wurde ein Deformationsmodell nach Chaboche in ANSYS® angepasst und an Ergebnissen einachsiger und planar-biaxialer LCF- und TMF-Versuche validiert. Um das Werkstoffverhalten der Biaxialproben zu simulieren, wurde eine iterative Prozedur entwickelt und implementiert. Damit gelang die Lebensdauerbeschreibung der einachsigen LCF- und TMF-Versuche nach Basquin u. Manson-Coffin. Für Simulationen der planar-biaxialen Ergebnisse wurden verschiedene Ansätze ausgewertet. Eine Vergleichsdehnung nach dem Crack-Opening-Displacement Ansatz wurde verwendet, um die Effekte verschiedener proportionaler planar-biaxialer Dehnungszustände auf die Lebensdauer beschreiben zu können. Für eine umfassende Lebensdauerbeschreibung aller Versuche zeigte das spannungsbasierte Modell nach Crossland gute Übereinstimmungen (Streuband Faktor 2..3). Die Ergebnisse des Vorhabens dienen der verbesserten Auslegung und Vorausbestimmung der Lebensdauer zyklisch belasteter Bauteile aus IN718 bzw. aus Ni-Basis-Legierungen. Es wurde erstmals ein mit mehrachsigen Versuchen validiertes Vorgehen erfolgreich aufgezeigt, um aus einachsigen CLCF-Versuchen ein funktionierendes Deformationsmodell zu entwickeln und darauf aufbauend Beanspruchung u. Lebensdauer mehrachsig beanspruchter Bauteile zu bestimmen, anwendbar im Bereich des Motoren- und Turbinenbaus, aber auch in anderen Branchen, z.B. der Batteriezellentechnik oder bei HT-Brennstoffzellen.