5 Werkstofftechnik
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The high operating temperatures of radial compressor wheels in exhaust gas turbochargers lead to a change in the original microstructure of the heat-resistant aluminum alloy EN AW-2618A (overaging). This is caused by thermal loads that are close to the age hardening temperature and can even exceed it for a short time. The aging mechanisms have been investigated together with low cycle fatigue (LCF), thermomechanical fatigue (TMF) and creep up to max. 190 °C in previous research projects. The be-havior of the alloy under high cycle fatigue (HCF) and the influence of load spectra have hardly been investigated. Since the operating temperatures of centrifugal compressors are expected to increase in the future, this research project investigated the HCF behavior at 230 °C, a test temperature significantly higher than the age hardening temperature. The objectives of the project were to establish a suitable experimental database, to understand the relevant microstructural processes, and to further develop and adapt suitable models and evaluation methods.
In addition to a basic characterization of the HCF behavior in the initial condition T61, the experimental investigation program included targeted mechanical tests to isolate the influencing factors of mean stress (𝑅=−1, 𝑅=0.1), material overaging (T61, 10 h/230 °C, 1000 h/230 °C), test temperature (20 °C, 230 °C), test frequency (0.2 Hz, 20 Hz) as well as variable amplitudes. On this basis, the models and evaluation methods developed in the previous projects were adapted and further developed to reflect thermal and mechanical loads in the lifetime assessment.
The increasing importance of resource availability and closed-loop material cycles are driving materials research to reduce alloying content in conventional materials or even substitute them with more sustainable alternatives. Intermetallic iron aluminide alloys (FeAl) present a potential alternative. Many alloy concepts for improved high-temperature properties or ductility have already been successfully implemented in casting technologies on a laboratory scale. However, successful testing of FeAl alloys on an industrial scale was still pending at the beginning of the project.
Therefore, the aim of the project was to develop simulation based casting concepts for industrial casting processes using the base alloy Fe-26Al-4Mo-0.5Ti-1B and to narrow down process limits by means of hot cracking tests. Findings were transferred into practice-oriented guidelines for casting of iron aluminides, which is accessible to future applicants in SMEs. The focus was placed on centrifugal casting combined with investment casting or die casting. In addition to numerous design and casting process parameters, heat treatments and alloying additions (Al, Mo, B) were varied to determine the influence of alloying elements on castability, microstructure and mechanical properties. Data from microstructure analyses (microscopic imaging, determination of grain sizes as well as phase compositions and volume fractions, fractography), mechanical tests (hardness measurements, compression tests, ambient and high-temperature tensile tests, creep tests) as well as measurements of thermophysical properties could be generated on the base alloy. Correlations of materials data with process variables allowed conclusions to be drawn on strengthening mechanisms and ductility of the alloy and how they can be controlled in terms of processing and component design. Successful casting of highly complex components with thin wall thicknesses and optimised alloy compositions points out prospects for new fields of application.
The studied aluminium alloy is EN AW-2618A (2618A). It is very widely used for exhaust gas turbo-charger compressor wheels. Due to long operating times, high cycle fatigue (HCF) and material aging under the influence of temperatures up to 230 °C is particularly relevant for the wheels. The wheels are typically milled from round wrought blanks. From such round blanks, different testpieces are extracted and a comprehensive series of HCF tests is conducted at room temperature. The tests investigate the materials fatigue performance in the T61 state for two load-ratios, namely R = -1 and R = 0.1. Additionally, two overaged material states are tested, accounting for the aging process the material undergoes during long operating times at high temperatures. The experimental results are evaluated and compared to each other.
Furthermore, the design process of notched specimens is presented. With the notched specimens, it is aimed to quantify the notch sensitivity of the material. Relating thereto, two potential model parameters for the fatigue lifetime model are introduced. Finally, the extended research data management in this project is highlighted and its advantages for sustainable use in material science and engineering applications are shown.
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.
Das hochaktuelle Thema der Integration und Wiederverwendung von Wissen und Daten aus Herstellung, Bearbeitung und Charakterisierung von Materialien ('Digitalisierung von Materialien') wird in den Projekten Innovationsplattform MaterialDigital (PMD, materialdigital.de) und Materials-open-Lab (Mat-o-Lab, matolab.org) adressiert. In diesem Beitrag werden die Weiterentwicklungen in diesen Projekten hinsichtlich der Speicherung von Zugversuchsdaten gemäß einer normenkonformen (DIN EN ISO 6892-1:2019-11) ontologischen Repräsentation vorgestellt. Das umfasst den Weg von der Entwicklung einer Ontologie nach Norm, der Konvertierung von Daten aus Standardtests in das interoperable RDF-Format bis hin zur Verknüpfung von Ontologie und Daten. Letztendlich können die entsprechenden Daten in einem Triple Store abgelegt und abgefragt werden.
Charakterisierung von Hochtemperaturwerkstoffen durch Zug- und Ermüdungsversuche an Kleinproben
(2019)
Die Verwendung von miniaturisierten Probengeometrien in der mechanischen Prüfung ermöglicht die Entnahme des Probenmaterials direkt aus kritischen Bereichen wie Fügeverbindungen und ermöglicht die Prüfung von kleinen Bauteilen wie additiv gefertigten Strukturen. In der vorliegenden Arbeit werden exemplarisch die Ergebnisse von vergleichenden Zug- und niederzyklischen Schwing-versuchen (LCF) an dem austenitischen Stahl AISI 316L und der Nickelbasislegierung IN718 vorgestellt. Die Prüfergebnisse der Kleinproben aus AISI 316L weisen die charakteristischen Eigenschaften des Werkstoffs auf, und die Analyse der Zug- und Ermüdungsdaten führt zu Werten, die den Literaturdaten weitgehend entsprechen. Der direkte Vergleich mit Standardprobendaten zeigt jedoch systematische Abweichungen bei Zugfestigkeit, Dehngrenze und Gleichmaßdehnung, die in diesem Beitrag diskutiert werden.
The current competitive situation on electricity markets forces power plants into cyclic operation regimes with frequent load shifts and starts/shutdowns. In the present work, the cyclic mechanical behavior of ferritic-martensitic 9-12 % Cr steels under isothermal and thermomechanical loading was investigated for the example of grade P92 material. A continuous softening was observed under all loading conditions. The introduction of hold periods to the applied cycles reduced material lifetime, with most prominent effects at technologically relevant small strain levels. The microstructural characterization reveals a coarsening of the original “martensitic” lath-type microstructure to a structure with polygonal subgrains and reduced dislocation density. The microstructural data forms the input for a physically-based modelling approach, both of which are presented in “Part 2: Microstructural Evolution during Cyclic Loading and its Representation in a Physically-based Micromechanical Model“.
The current competitive situation on electricity markets forces conventional power plants into cyclic operation regimes with frequent load shifts and starts/shutdowns. In the present work, the cyclic mechanical behavior of ferritic-martensitic 9-12 % Cr steels under isothermal and thermomechanical loading was investigated for the example of grade P92 material. A continuous softening was observed under all loading conditions. The introduction of hold periods to the applied cycles reduced material lifetime, with most prominent effects at technologically relevant small strain levels. The microstructural characterization reveals a coarsening of the original “martensitic” lath-type microstructure to a structure with polygonal subgrains and reduced dislocation density. The microstructural data forms the input for a physically-based modelling approach.
The influence of prestraining on the aging response of an Al-Cu-Li alloy is investigated by preparation of different strain states (3 %, 4 %, 6 %) of the initial aging state. The Brinell hardness of the subsequently aged samples (up to 60 h aging time) was measured and it was found that the increasing dislocation concentration in the 3 different initial states leads to faster hardness increases and slightly higher maximum hardness.
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.
In Germany spent nuclear fuel and high level radioactive waste is stored in interim storage containers with double lid systems. Those lids are equipped with metal seals (e.g. Helicoflex®) that ensure the safe enclosure of the inventory. The used metal seals consist of three components as can be seen in the cross-sectional view in Figure 1. The innermost part is a helical spring that is surrounded by an inner jacket made of stainless steel. The outer jacket that is made of a softer material which in case of assembly in the aforementioned storage containers is silver or aluminum (i.e. Al 99.5). During application the seal is compressed and due to the restoring force of the helical spring, the outer jacket is plastically deformed and adapts to the sealing surface. Hence, leakage paths are closed and the sealing function is generated. In Germany the above-mentioned containers are licensed for up to 40 years of interim storage, which in case extended storage becomes necessary before a final repository is available will have to be extended to even longer periods. Therefore, the evaluation of the long-term behavior of the seals is necessary, taking into account storage conditions, decay heat and possible mechanical loads as well.
At Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) long-term investigations are being conducted in which seals are assembled in test flanges and aged at temperatures ranging from room temperature to 150°C for accelerated aging. The aged seals are tested semi-annually (after the first 6 months in which the seals are tested more frequently) regarding the sealing performance, the remaining seal force, and the useable resilience upon decompression. Results of these investigations have been published over the past years (e.g. Grelle, Wolff, Probst, Jaunich, & Völzke, 2017; Völzke, Wolff, Probst, Nagelschmidt, & Schulz, 2014). It was found that the seal force and the useable resilience decrease with time and temperature, which is in agreement with the result of other studies (Sassoulas et al., 2006; Wataru et al., 2016) as well. Geometry change of the outer jacket has been identified as the main reason for this seal behavior. At the prevailing operating temperatures and stresses the aluminum is subjected to creep deformation leading to a thinning of the outer jacket. Since the seal groove depth remains unchanged the helical spring expands, which in turn leads to a decrease of the generated spring and seal force.
Although the main reason for the change of seal parameters over time and temperature is known, a detailed characterization of the seal behavior and a reliable prediction of the parameter development for aging times that exceed the experimental time frame have not been possible, yet.
For deeper understanding of the aging processes, an Investigation program, which is covered in this contribution, is conducted at Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) that focusses on the behavior of the aluminum jacket and its influence on the long-term sealing performance. The program investigates properties of material samples as well as the behavior of the seal as a component.
Original sheet material of the same aluminum that is used for manufacturing of the seals is investigated in compression creep tests. For this, a DMA (dynamic mechanical analysis) machine is employed (here used for static tests) that allows for a measurement of the specimens deformation under forces of up to 500 N. The advantage of this method is that the original material can be tested in the same shape as used for the seals which is 0.5 mm thick sheet material. For investigation of tensile creep standard specimens are used, that were machined from surrogate material of the same composition and annealing condition.
Furthermore, aluminum seals that are cut into smaller segments are assembled in flanges and placed in heating chambers at temperatures ranging from 23°C to 150°C. After different periods of time from 3 days to 300 days the segments are taken out of the flanges and are investigated, thus giving information on different states of aging. Measurements of the development of the seal contact width and the aluminum jacket thickness are done with an optical microscope. Further investigations on the segments will include metallography and hardness measurements.
From the detailed material and component behavior including the results of the long-term seal force and useable resilience investigations a better understanding of the overall seal behavior can be gained. The aim is to contribute to the development of material models and analytical approaches for the prediction of the sealing behavior in dependence of time and temperature.
The current competitive situation on electricity markets forces power plants into cyclic operation regimes with frequent load shifts and starts/shutdowns. In the present work, the cyclic mechanical behavior of ferritic-martensitic 9-12 % Cr steels under isothermal and thermomechanical loading was investigated for the example of grade P92 material. A continuous softening was observed under all loading conditions. The introduction of hold periods to the applied cycles reduced material lifetime, with most prominent effects at technologically relevant small strain levels. The microstructural characterization reveals a coarsening of the original “martensitic” lath-type microstructure to a structure with polygonal subgrains and reduced dislocation density. The microstructural data forms the input for a physically-based modelling approach.
Es konnte anhand einer numerischen Voruntersuchung gezeigt werden, dass anhand der kombinierten Auswertung der im Versuch verwendeten Sensorik eine Einteilung der unter Ermüdung in Bohrlochproben auftretenden Rissformen in verschiedene Hauptkategorien (Eckriss, Oberflächenriss, Durchgangsriss) möglich ist.
Die warmfeste austenitische Gusseisenlegierung EN-GJSA-XNiSiCr35-5-2 (häufig auch als Ni-Resist D-5S bezeichnet) wurde hinsichtlich ihres mechanischen Verhaltens bei hoher Temperatur charakterisiert. Dazu wurden (isotherme) niederzyklische (LCF-) und (nicht-isotherme) thermomechanische Ermüdungsversuche (TMF) zwischen Raumtemperatur und 900 °C durchgeführt. Diese Ergebnisse dienten (zusammen mit weiteren Versuchsdaten) der Kalibrierung werkstoffmechanischer Modelle. Bei den höchsten Prüftemperaturen wurde Schädigung in Form von Kriechen beobachtet und metallographisch dokumentiert.