Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Rechnerische Methoden zur Bewertung des Schwellenwert- und Ausbreitungsverhaltens physikalisch kurzer Risse bei hohen Temperaturen am Beispiel einer additiv und konventionell gefertigten Nickellegierung

Aufgrund der zunehmend flexiblen Betriebsweise von Turbinen im Zuge der Energiewende sind Hochtemperaturkomponenten durch häufigeres Durchlaufen von Resonanzbereichen verstärkt hochfrequenten Belastungen ausgesetzt. Um die Betriebssicherheit der Anlagen zu gewährleisten, dürfen diese Belastungen nicht zur Initiierung von wachstumsfähigen Rissen führen. Dazu müssen Anfangsdefekte bewertet werden, wie sie sowohl in konventionell hergestellten Komponenten, als auch neueren additiven Fertigungsverfahren vorkommen. Für kleine und mittlere Unternehmen (KMU), die sich auf die Auslegung, Fertigung und Wartung von Turbinenkomponenten spezialisiert haben, bedeutet die Investition in belastbare Versuchsdaten ein großer, mit Risiken verbundener finanzieller und zeitlicher Aufwand. Das Ziel des Vorhabens ist es, eine verbesserte Auslegungsmethode für anfangsdefektbehaftete Komponenten zu erarbeiten. Am Beispiel einer Nickellegierung soll für unterschiedliche Fertigungsvarianten (geschmiedet, gegossen, additiv gefertigt) ein Versuchsprogramm zur Ermittlung des Hochtemperatur (HT)-Schwellenwerts für Ermüdungsrisswachstum durchgeführt werden. Dabei sollen neben dem Vergleich der genannten Fertigungsprozesse die Einflüsse von Temperatur, Oxidation und Lastverhältnis untersucht werden. Die Versuchsführung soll so gewählt werden, dass der risslängenabhängige Schwellenwert möglichst effizient mittels zyklischer Risswiderstandskurven ermittelt werden kann. In Kitagawa-Takahashi-Diagrammen wird die Dauerfestigkeit des Werkstoffes mit dem Schwellenwert in Abhängigkeit der Defektgröße korreliert. Durch die Weiterentwicklung bruchmechanischer Kurzrissmodelle soll das Rissverhalten der Laborproben beschrieben werden. Zur Überprüfung der erarbeiteten Methode werden Validierungsversuche unter hochzyklischer Ermüdung an Kerbproben durchgeführt und bewertet. Die Entwicklung und Anwendung einer Berechnungsprozedur zur Dauerfestigkeitsbewertung demonstriert die Anwendbarkeit in der Industrie. Konkret profitieren viele Unternehmen, insbesondere Ingenieurdienstleister, von den Ergebnissen, da sie künftig auf abgesicherte Auslegungsdaten zurückgreifen können und so auslegungsbedingte Schäden mit allen Folgen vermieden werden können.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Vorhabens wurden neue Erkenntnisse zum Verhalten kurzer Risse unter Ermüdungsbeanspruchungen im Dauerfestigkeitsbereich einer in der Anwendung weit verbreiteten Nickellegierung gewonnen. Diese Risse entsprechen im Anwendungsfall anfänglichen Defekten in hochbelasteten Komponenten. Insbesondere die generierten Versuchsdaten zum Schwellwert- und Risswachstumsverhalten von anfänglich kurzen wie auch langen Rissen erlauben Aussagen dazu, ob vorhandene Defekte mit gewisser Größe ausbreitungsfähig sind und wie schnell diese lebensdauerkritisch werden. Dabei wurde eine effiziente Versuchsmethodik zur Schwellenwertermittlung weiterentwickelt und für Hochtemperaturanwendungen ertüchtigt. Die Versuchsergebnisse basieren auf Untersuchungen an drei verschiedenen Urformvarianten (Schmiede, Guss, additiv gefertigt) des Versuchswerksstoffs, die sich signifikant in der Mikrostruktur und den Verformungseigenschaften unterscheiden. Entsprechende Basiskennwerte wurden ermittelt und dokumentiert. Da die Versuchsdaten zum Rissverhalten nicht nur an Luft, sondern auch unter Vakuum erzeugt wurden, lassen sich sowohl oberflächennahe wie auch innenliegende Defekte bewerten. Folglich decken die Untersuchungen ein breites Anwendungsfeld des Versuchswerkstoffs ab. Die erzeugten Versuchsdaten wurden zur Anpassung eines bruchmechanisch-basierten Modells herangezogen, welches die festgestellten Ausbreitungsstadien von Rissen berücksichtigt. Das Modell steht in Form eines Berechnungstools als Methodenträger zur Bewertung einfacher wie auch komplexerer Belastungsfälle zur Verfügung. Somit bestehen direkte Anwendungsmöglichkeiten bei der Bewertung kritischer Bauteile mit gegebenem Beanspruchungsprofil. Bei den Modellparametern handelt es sich überwiegend um Messgrößen, die sich aus entsprechen Werkstoffuntersuchungen ermitteln lassen, wie sie im Bericht detailliert dokumentiert sind. Das Modell kann so auch leicht auf andere Temperaturen und Werkstoffe übertragen werden.