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Organisationseinheit der BAM
In nickelbasierten Superlegierungen, die für Gasturbinenschaufeln verwendet werden, sind bei hohen Betriebstemperaturen und -belastungen Kriechschäden, Ermüdung, Korrosion und Oxi-dation zu beobachten. Die betroffenen Turbinenschaufeln müssen ersetzt oder repariert werden, um Effizienzverluste und ein eventuelles Bauteilversagen zu vermeiden. In letzter Zeit wurden additive Fertigungs- und Lötverfahren für die Reparatur und das Fügen von Nickelbasiswerk-stoffen entwickelt, um die Einschränkungen der traditionellen Reparaturverfahren zu überwinden. Für eine auslegungsrelevante Bewertung des Risswachstumsverhaltens in den Fügezonen, die durch diese neuen Technologien erzeugt werden, sind Rissfortschrittsuntersuchungen erfor-derlich. Entsprechende Untersuchungen an gefügten Proben werden in diesem Beitrag vorge-stellt. Die Rissfortschrittsversuche werden an gefügten SEN-Proben (Single Edge Notch) bei einem Spannungsverhältnis von 0,1 und einer Temperatur von 950 °C durchgeführt. Das Riss-wachstum wird mit der DCPD-Methode (Direct Current Potential Drop) überwacht, und die ge-messenen Potenzialsignale werden anhand der optisch vermessenen Risslänge und einer Finite-Elemente-Analyse kalibriert. Der Spannungsintensitätsfaktor (SIF) für die gefügte SEN-Geometrie wird mit Hilfe von Finite-Elemente-Analysen berechnet. Auf diese Weise können Rissfortschrittskurven aus den experimentellen Daten abgeleitet werden.
Aluminiumlegierungen mit besonders hoher Festigkeit werden vor allem in der Luft- und Raumfahrt sowie der Automobilindustrie eingesetzt. Ein Anwendungsbeispiel im Fahrzeugbereich sind Radialverdichterräder von Abgasturboladern. Der hierfür untersuchte Werkstoff ist die Legierung 2618A. Die hohe Festigkeit wird durch Ausscheidungshärtung erreicht. Es scheiden sich hierbei durch eine entsprechende Wärmebehandlung Al-Cu-Mg-Teilchen in die Aluminium-Matrix aus. Diese Teilchen stellen Hindernisse für die Bewegung von Versetzungen dar und haben im Fall der Legierung 2618A stabförmige Geometrie. Durch Einsatz bei Betriebstemperatur von etwa 160 °C bis 190 °C vergröbern die Teilchen im Verlauf der Einsatzzeit (Ostwaldreifung) und die Festigkeit nimmt ab.
Der Zwischenbericht soll einen Überblick über die bisherigen experimentellen und theoretischen Ergebnisse geben. Es konnten Brinell-Härteverläufe nach Auslagerung bei 160 °C, 180 °C und 190 °C bis 8.760 h Auslagerungszeit gemessen werden. Erste TEM (Transmissionselektronenmikroskopie )-Untersuchungen der Mikrostruktur liegen vor. Anhand dieser Untersuchungen wurden erste Simulationen und Berechnungen der AI-Cu-Mg-Teilchengrößenentwicklung (Vergröberung) durchgeführt. Auswirkungen dieser Vergröberung der AlCu-Mg-Teilchen auf die Fließgrenze bei Raumtemperatur wurden berechnet. Weitere Ergebnisse sind Kriechversuche an Proben im Ausgangszustand T61 der Legierung 2618A bei den Temperaturen 160 °C, 180 °C und 190 °C. Um das zyklische visko-plastische Verhalten des Werkstoffes und den Einfluss der Alterung zu untersuchen, wurden LCF-Ermüdungsversuche an verschiedenen Auslagerungszuständen durchgeführt.
Die Messung spontaner magnetischer Streufelder ferromagnetischer Materialien wird als neue, Metal Magnetic Memory (MMM) genannte, Methode der zerstörungsfreien Prüfung (ZfP) angesehen, Schädigungen frühzeitig vorherzusagen. Die MMM Methode versucht, die sich gleichzeitig mit der Schadensentwicklung ausbildende lokale magnetische Struktur für die ZfP zu nutzen und zwar schon vor der eigentlichen Rissinitiierung. Das zugehörige Regelwerk ISO 24497 verspricht neben der Detektion von Mikrorissen und Inhomogenitäten des Werkstoffgefüges auch die Bestimmung des (Eigen-) Spannungszustandes. Neue, an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung für die ZfP angepasste GMR (Giant Magneto Resistance)-Sensorik erlaubt Magnetfeldmessungen mit einer Ortsauflösung im Mikrometerbereich. Mit höherer Ortsauflösung zeigen sich Unterschiede, jedoch keine Widersprüche zu bisher publizierten Daten. Ihnen wesentlich ist, dass es einige verwertbare Hinweise auf einen Zusammenhang von Restfeldmagnetisierung und Materialeigenschaften gibt.
Charakterisierung des Kriechverhaltens hochwarmfester Stähle durch Versuche an Miniaturproben
(2014)
Die Einsatzbedingungen der Bauteile von fossil befeuerten Kraftwerken unterliegen derzeit durch aktuelle Entwicklungen des Energiesektors (Stichwort „Energiewende“) erheblichen Veränderungen. Während das Interesse an einer weiteren Steigerung der Wirkungsgrade und den damit verbundenen Erhöhung der Prozessdrücke und -temperaturen prinzipiell anhält, werden parallel neue Verbrennungsprozesse wie z. B. die Oxyfuelverbrennung diskutiert und die Einsatzmöglichkeiten von Ersatzbrennstoffen wie Biomasse und hochkalorischen Müllfraktionen werden untersucht.
Während diese Maßnahmen über veränderte Rauchgaszusammensetzungen ggf. zu einem generell verstärkten Hochtemperaturkorrosions-Angriff der Bauteile führen, zwingt der Ausbau der Stromerzeugung auf Basis von Wind- und Sonnenenergie die Anlagenbetreiber gleichzeitig zu einer lastflexiblen Anlagenfahrweise mit häufigen Warm- und Kaltstarts bei möglichst hohen Lastgradienten.
Diese veränderten Betriebsbedingungen stellen eine Herausforderung für die Überwachung und Instandhaltung bestehender Kraftwerke sowie für die Konstruktion neuer Anlagen und Komponenten dar.
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.