Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Rechnerische Bewertung der Betriebsfestigkeit von Aluminium bei höchsten Anwendungstemperaturen unter Berücksichtigung anwendungsspezifischer Einflussgrößen

Das Ziel des Forschungsvorhabens ist eine deutliche Ausweitung der Grenzen von rechnerischen Nachweisen der Hochtemperatur-Betriebsfestigkeit von Turbolader-Radialverdichterrädern und anderen Komponenten aus der warmfesten Aluminiumlegierung EN AW-2618A. Der Lösungsweg umfasst:

• die Durchführung von Versuchen zur experimentellen Ermittlung von Werkstoffkennwerten,

• die Aufklärung von Schädigungsmechanismen,

• die Modellierung der Verformung und Lebensdauer,

• die Implementierung der rechnerischen Bauteilbewertung als Methodenträger

• sowie die Bereitstellung der experimentellen Ergebnisse in einer innovativen Form für die wissenschaftliche Nachnutzung.

Angestrebtes Forschungsergebnis ist ein umfassendes rechnerisches Bewertungskonzept. Dazu wurden im Vorgängervorhaben die Themenfeldern niederzyklische Ermüdung, Kriechen und Alterungsmechanismen bis 190 °C bearbeitet. Im beantragten Vorhaben sollen die Arbeiten mit den Themenfelder hochzyklischer Ermüdung, Kerben, Lastkollektive und sehr hohen Betriebstemperaturen bis 230 °C für aktuelle und zukünftige Auslegungen komplettiert werden.

Der besondere Nutzen für KMU, der sich auch in der Zusammensetzung des PA ausdrückt, ergibt sich aus der Erarbeitung einer anerkannten Methode zur rechnerischen Bauteilbewertung. Mit dieser werden KMU in die Lage versetzt, als Ingenieurdienstleister entsprechende Bauteilbewertungen durchzuführen. Außerdem besteht die Möglichkeit für KMU als Hersteller von Branchensoftware, die Methode als Erweiterung ihrer Produkte zu implementieren. Der allgemeine Nutzen ist die erhebliche methodische Verbesserung der rechnerischen Betriebsfestigkeitsbewertung bei hohen Temperaturen. Daraus ergeben sich geringere Aufwände für die Bauteilentwicklung und eine höhere Produktzuverlässigkeit mit weniger und besser planbaren Stillstandszeiten.

Ergebniszusammenfassung:

Die hohen Betriebstemperaturen während des Einsatzes von Radialverdichterrädern in Abgasturboladern führen zu einer Änderung der ursprünglich eingestellten Mikrostruktur in der warmfesten Aluminiumlegierung EN AW-2618A (Überalterung). Grund dafür sind thermischen Belastungen, die nahe der Aushärtetemperatur liegen und diese kurzzeitig sogar überschreiten können. Die Alterungsmechanismen wurden zusammen mit den Themen niederzyklische (LCF) und thermomechanische Ermüdung (TMF) sowie Kriechen bis max. 190 °C in vorangegangenen Forschungsvorhaben untersucht. Kaum untersucht war bisher hingegen das Verhalten der Legierung unter hochzyklischer Beanspruchung (HCF) sowie der Einfluss von Kerben und Lastkollektiven. Da zukünftig mit weiter steigenden Betriebstemperaturen für Radialverdichter zu rechnen ist, wurde in diesem Forschungsvorhaben das HCF-Verhalten bei 230 °C untersucht und somit bei einer Prüftemperatur, die deutlich oberhalb der Aushärtetemperatur liegt. Das Ziel des Projektes war der Aufbau einer geeigneten experimentellen Datenbasis, das Verständnis der relevanten mikrostrukturellen Schädigungsprozesse sowie die Weiterentwicklung und Anpassung geeigneter Modelle und Bewertungsmethoden.

Das experimentelle Untersuchungsprogramm umfasste neben einer Basischarakterisierung des HCF-Verhaltens am Ausgangszustand T61 gezielte mechanische Versuche zur Isolierung der Einflussfaktoren Mittelspannung (R = 0,1, R = -1 ), Werkstoffüberalterung (T61, 10 h/230 °C, 1000 h/230 °C), Prüftemperatur (20 °C, 230 °C), Prüffrequenz (0,2 Hz, 20 Hz) sowie Kerbformzahl und variable Amplituden. Darauf aufbauend wurde die in den vorangegangen Projekten entwickelten Modelle und Bewertungsmethoden angepasst und weiterentwickelt, um die genannten thermischen und mechanischen Belastungen in der Lebensdauerbewertung abzubilden