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Lebensdauerberechnung von Aluminium-Radialverdichterrädern unter Berücksichtigung der Werkstoffalterung

  • In diesem Forschungsvorhaben wurde ein Verfahren entwickelt, um die Genauigkeit der Lebensdauerbewertung für Abgasturbolader (ATL)-Verdichterräder aus der ausscheidungs-härtbaren Aluminiumlegierung EN AW-2618A zu verbessern. Dies umfasst insbesondere die Berücksichtigung der Werkstoffalterung, mit der beim Einsatz dieser Bauteile unter entsprechender Betriebsbeanspruchung (Temperatur, Zeit, Spannung) gerechnet werden muss. Zunächst wurde eine solide experimentelle Datenbasis für den untersuchten Werkstoff geschaffen. Dies umfasste sowohl eine mechanische als auch eine mikrostrukturelle Charakterisierung des Ausgangszustands (T61) sowie von ausgelagerten Zuständen bis zu 25.000 h bei betriebsrelevanten Temperaturen (160 °C, 180 °C, 190 °C). Bei den Untersuchungen zur Mikrostruktur wurde der Fokus auf die Entwicklung der Radien der stäbchen-förmigen aushärtenden Phase gelegt, die während der Alterung vergröbern. Der Zusammenhang zwischen Auslagerungstemperatur, -zeit und ggfs.In diesem Forschungsvorhaben wurde ein Verfahren entwickelt, um die Genauigkeit der Lebensdauerbewertung für Abgasturbolader (ATL)-Verdichterräder aus der ausscheidungs-härtbaren Aluminiumlegierung EN AW-2618A zu verbessern. Dies umfasst insbesondere die Berücksichtigung der Werkstoffalterung, mit der beim Einsatz dieser Bauteile unter entsprechender Betriebsbeanspruchung (Temperatur, Zeit, Spannung) gerechnet werden muss. Zunächst wurde eine solide experimentelle Datenbasis für den untersuchten Werkstoff geschaffen. Dies umfasste sowohl eine mechanische als auch eine mikrostrukturelle Charakterisierung des Ausgangszustands (T61) sowie von ausgelagerten Zuständen bis zu 25.000 h bei betriebsrelevanten Temperaturen (160 °C, 180 °C, 190 °C). Bei den Untersuchungen zur Mikrostruktur wurde der Fokus auf die Entwicklung der Radien der stäbchen-förmigen aushärtenden Phase gelegt, die während der Alterung vergröbern. Der Zusammenhang zwischen Auslagerungstemperatur, -zeit und ggfs. mechanischer Belastung wurde erstmals in diesem Umfang quantifiziert und entsprechende Gesetzmäßigkeiten zur Beschreibung der Vergröberung ermittelt. Vergleichend dazu wurde der Einfluss der Alterung auf die Härte, die Festigkeit, das Kriechverhalten und die Ermüdungslebensdauer (LCF, TMF) bestimmt, so dass eine Korrelation zur Mikrostruktur vorliegt. Die Ergebnisse der Kriechversuche wurden zur Kalibrierung eines modifizierten Sinus-hyperbolicus-Kriechmodells verwendet. Ein zeit- und temperaturabhängiges Verformungsmodell nach Chaboche, welches die wesentlichen Phänomene der Hochtemperaturverformung und der Wechselplastizität beschreibt, wurde erweitert und berücksichtigt nun die Werkstoffalterung, indem die Festigkeit nicht nur als Funktion der Temperatur, sondern auch des Alterungszustands (d. h. des mittleren Radius der Ausscheidungen) dargestellt wird. Für die Erweiterung des Modells zur Bewertung der Ermüdungslebensdauer wurde analog verfahren. Die berechnete Lebensdauer der im Verlauf des Vorhabens durchgeführten LCF- und TMF-Versuche stimmt gut mit den experimentellen Ergebnissen überein. Lediglich ein LCF-Versuch mit einer Haltezeit von 900 s im Zug weicht deutlich vom Mittelwert ab und zeigt die Grenzen des zeitunabhängigen Schädigungsmodells auf. Versuche mit kürzeren Haltezeiten bis zu 60 s liegen im Streuband, ebenso die verschiedenen Alterungszustände. Eine Schädigungsakkumulation unter Berücksichtigung der fortschreitenden Alterung über der Lebensdauer wurde entwickelt und implementiert. Neben der Berücksichtigung der Alterung in der Verformungs- und Lebensdaueranalyse besteht auch die Möglichkeit, komplexe Belastungszyklen in einem Postprozessing zu bewerten, indem Rainflow-Klassierungen typischer komplexer Belastungszyklen vorgenommen werden. Die Methodik und die Modelle wurden in die Finite-Elemente-Programme Abaqus und Ansys implementiert und stehen für die rechnerische Bewertung von Bauteilen zur Verfügung.zeige mehrzeige weniger
  • In this project, a procedure was developed to improve the lifetime assessment precision of exhaust turbo charger radial compressor wheels made from the age hardenable aluminum alloy EN AW-2618A. This comprises particularly the consideration of material aging, which has to be anticipated during operation of such components under relevant service conditions (temperature, time, stress). First of all, a solid experimental database was established for the investigated material. This includes a mechanical as well as a microstructural characterization of the as-received state (T61) and after aging up to 25,000 h at relevant service temperatures (160 °C, 180 °C, 190 °C). The microstructural investigations focused on the development of the radii of the cylindrical hardening phase, which coarsens during aging. The relation between aging temperature, time and mechanical load (if applicable) was established for the first time to this extent. An interrelationship to describe the coarsening wasIn this project, a procedure was developed to improve the lifetime assessment precision of exhaust turbo charger radial compressor wheels made from the age hardenable aluminum alloy EN AW-2618A. This comprises particularly the consideration of material aging, which has to be anticipated during operation of such components under relevant service conditions (temperature, time, stress). First of all, a solid experimental database was established for the investigated material. This includes a mechanical as well as a microstructural characterization of the as-received state (T61) and after aging up to 25,000 h at relevant service temperatures (160 °C, 180 °C, 190 °C). The microstructural investigations focused on the development of the radii of the cylindrical hardening phase, which coarsens during aging. The relation between aging temperature, time and mechanical load (if applicable) was established for the first time to this extent. An interrelationship to describe the coarsening was established. The effect of aging on hardness, strength, creep behavior and fatigue lifetime (LCF, TMF) was studied and a correlation to the microstructure was established. The results of the creep tests were used to calibrate a modified hyperbolic sine creep model. A time and temperature dependent deformation model according to Chaboche, which describes the relevant phenomena of high temperature deformation and cyclic plasticity, was extended. It now considers material aging by describing the strength not only as a function of temperature but also as a function of aging, i.e. of the mean radius of the precipitates. A similar procedure was applied to extend the model in order to assess the fatigue lifetime. The calculated lifetimes of LCF and TMF tests completed during this project match well with the experimental results. Only one LCF test with a hold time of 900 s in tension deviates clearly from the mean value and shows the limits of the time independent damage model. Tests with shorter hold times of 60 s are within the scatter band, likewise the different aging conditions. A damage accumulation model additionally describing the progressive aging during lifetime was developed and implemented. Besides considering aging in the deformation and lifetime assessment, it is also possible to judge complex loading cycles in a postprocessing by rain flow classification of typical complex loading cycles. The methodology and the models were implemented into the Finite-Element software Abaqus and Ansys and are available for numerical assessment of components.zeige mehrzeige weniger

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Autoren/innen:Christian Rockenhäuser, P. von Hartrott, M. Metzger, Sina Schriever, E. Augenstein, J. Karlin, Benjamin Piesker, Ch. Schweizer, Birgit Skrotzki
Dokumenttyp:Beitrag zu einem Tagungsband
Veröffentlichungsform:Graue Literatur
Sprache:Deutsch
Titel des übergeordneten Werkes (Deutsch):Tagungsband R583 FVV Frühjahrstagung 2018
Jahr der Erstveröffentlichung:2018
Organisationseinheit der BAM:5 Werkstofftechnik
5 Werkstofftechnik / 5.2 Experimentelle und modellbasierte Werkstoffmechanik
Erste Seite:97
Letzte Seite:130
DDC-Klassifikation:Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften / Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Freie Schlagwörter:Aluminium; Degradation; S-phase
Centrifugal compressor wheel; Dark-field transmission electron microscopy (DFTEM)
Themenfelder/Aktivitätsfelder der BAM:Material
Material / Degradation von Werkstoffen und Materialien
Veranstaltung:FVV Frühjahrstagung 2018
Veranstaltungsort:Bad Neuenahr, Germany
Beginndatum der Veranstaltung:22.03.2018
Verfügbarkeit des Volltexts:Volltext-PDF im Netzwerk der BAM verfügbar ("Closed Access")
Datum der Freischaltung:04.04.2018
Referierte Publikation:Nein