5.2 Metallische Hochtemperaturwerkstoffe
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Les aubes de turbines à gaz utilisées en particulier pour les turboréacteurs de l’aéronautique sont élaborées par fonderie en superalliage monocristallin à base de nickel. Le procédé de fonderie, ainsi que les traitements thermique d’homogénéisation réalisés à très haute température, induisent la présence de pores au sein des pièces qui affectent les propriétés mécaniques et la durée de vie des aubes. Afin de réduire cette porosité les motoristes effectuent un traitement de compression isostatique à chaud (CIC) au cours duquel la porosité diminue par fermeture des pores. Afin de mieux comprendre les mécanismes impliqués au cours du traitement de CIC, nous avons lancé un programme de recherche dans le cadre du projet ERA-Net MICROPORE. La modélisation par champ de phase des mécanismes en jeu est présentée au cours de ce colloque. Nous présentons dans cette affiche un des volets de la caractérisation expérimentale du projet.
Des échantillons de superalliage CMSX4 sont observés après traitement de mise en solution et CIC sous 103 MPa à 1288°C pour différentes durées. Les pores présents sont caractérisés par microscopie électronique à balayage (MEB) afin de suivre l’évolution du taux de porosité au cours du traitement. Une caractérisation plus détaillée de pores partiellement refermés est menée par MEB et grâce à la diffraction des électrons rétrodiffusés (EBSD). Une vision tridimensionnelle de ces défauts est obtenue par des coupes métallographiques effectuées par découpe ionique (FIB).
Le projet ERA – Net MICROPORE est financé en Allemagne par la DFG (projects EP 136/1-1 and FE933/2-1) et en France par l’ANR (projects ANR15-MERA-000-03 and ANR15-MERA-0003-04).
Die Mikrostruktur von ausscheidungsgehärteten Aluminiumlegierungen ist von herausragender Bedeutung für ihre Festigkeit, da nur Werkstoffe mit gezielt eingestellter Mikrostruktur für Radialverdichterräder ausreichende Festigkeiten erreichen. Diese optimierte Mikrostruktur ändert sich jedoch während des Betriebs, denn die Bauteile werden bei Temperaturen eingesetzt, die nahe der Aushärtetemperatur liegen oder sogar darüber hinausgehen und folglich ist mit Alterung der Mikrostruktur und damit einhergehender Degradation der Eigenschaften zu rechnen. Diese Effekte konnten bisher in der Lebensdauervorhersage nicht berücksichtigt werden, da ihre diesbezüglichen Auswirkungen lediglich qualitativ bekannt waren. In diesem Forschungsvorhaben wurde daher für die Legierung EN AW-2618A einerseits eine sorgfältige und umfassende Charakterisierung der Gefügeentwicklung für anwendungsrelevante Temperaturen und Zeiten bis zu 25.000 h vorgenommen und andererseits eine solide Datenbasis bezüglich der mechanischen Eigenschaften (Zugfestigkeit, Kriechwiderstand, LCF-, TMF-Verhalten) und ihren Änderungen geschaffen. Darauf aufbauend wurde ein Verfahren entwickelt, um die Genauigkeit der Lebensdauerbewertung für Abgasturbolader (ATL)-Verdichterräder aus EN AW-2618A zu verbessern. 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 unter Rainflow-klassierten Betriebslastkollektiven wurde analog verfahren. Die berechnete Lebensdauer der im Verlauf des Vorhabens durchgeführten LCF- und TMF-Versuche stimmt gut mit den experimentellen Ergebnissen überein.
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.
Performing mechanical tests at high temperatures is a nontrivial issue: Compared to room temperature testing, additional phenomena like time-dependent Deformation processes and oxidation effects raise the complexity of the material’s response, while more sophisticated test setups and additional control parameters increase the number of potential sources of error. To a large extent, these complications can be overcome by carefully following all recommendations given in the respective high temperature testing standards, but more comprehensive background information helps to identify points of specific importance in particular test campaigns. In this chapter, an overview is given on general high temperature testing issues like the appropriate choice of experimental equipment and key aspects of temperature measurement. In subsequent sections, the major static and dynamic high temperature test methods are reviewed and their Special features, as compared to testing at room temperature, are highlighted based on example data sets. Influences of specimen size and environmental effects are shortly outlined in a concluding section. In the whole chapter, a focus is set on testing of “classical” metallic high temperature materials, but many considerations are equally valid for testing of intermetallics, composites, and high temperature ceramics.
A study was made on the effect of creep loading on the precipitate radii evolution of the aluminum alloy 2618A.
The overageing process of the alloy was investigated under load at a temperature of 190 °C with stresses between 79 and 181 MPa and compared to stress free isothermal ageing. The precipitates responsible for strength were characterized using dark-field transmission electron microscopy (DFTEM). This allows the experimental Determination of radii distributions of the rod-shaped Al2CuMg precipitates and the evaluation regarding their mean precipitate radius. It was found that the mean precipitate radius enables the comparison of the different microstructural conditions of crept and uncrept samples. The mean precipitate radii of the samples experiencing creep are significantly higher than those of undeformed samples. It was shown that the acquired radii distributions are viable to determine averaged particle radii for comparison of the aged samples. A ripening process including pipe diffusion along dislocations describes the data on coarsening very well for the creep samples.
The knowledge of the temperature-induced changes of the superconductor volume and of the thermomechanical behavior of the different coil and tooling materials is required for predicting the coil geometry and the stress distribution in the coil after the Nb3Sn reaction heat treatment. In this paper, we have measured the Young’s and shear moduli of the HL-LHC 11 T Nb3Sn dipole magnet coil and reaction tool constituents during in situ heat cycles with the dynamic resonance method. The thermal expansion behaviors of the coil components and of a free standing Nb3Sn wire were compared based on dilation experiments.
A key limitation of the most constitutive models that reproduce a Degradation of quasi-brittle materials is that they generally do not address issues related to fatigue. One reason is the huge computational costs to resolve each load cycle on the structural level. The goal of this paper is the development of a temporal Integration scheme, which significantly increases the computational efficiency of the finite element method in comparison to conventional temporal integrations.
The essential constituent of the fatigue model is an implicit gradient-enhanced formulation of the damage rate. The evolution of the field variables is computed as amultiscale Fourier series in time.On a microchronological scale attributed to single cycles, the initial boundary value problem is approximated by linear BVPs with respect to the Fourier coefficients. Using the adaptive cycle jump concept, the obtained damage rates are transferred to a coarsermacrochronological scale associated with the duration of material deterioration. The performance of the developedmethod is hence improved due to an efficient numerical treatment of the microchronological problem in combination with the cycle jump technique on the macrochronological scale. Validation examples demonstrate the convergence of the obtained solutions to the reference simulations while significantly reducing the computational costs.
An improved diffusion model is proposed for pore annihilation during HIP of single-crystal nickel-base superalloys. The model assumes the pore dissolution by emission of vacancies and their sink to the low angle boundaries. Calculation, considering distribution of the pore sizes, predicts the kinetics of pore annihilation similar to the experimental one.
Temperature-induced, stress-induced martensitic phase transitions and martensite reorientation process in Ni rich (50.9 at.%) NiTi pseudoelastic NiTi wires with ultra-fine grained (UFG) microstructure were studied by electrical resistance measurements. Measurements of the electrical resistance as a function of temperature at different constant mechanical loads accompanied by complementary experiments with variable loads at constant temperature were performed. Results show that the transformation mechanisms in UFG microstructures exhibit a higher level of complexity when compared with those characterizing the behavior of other microstructures (e.g., recrystallized or larger grains size). It was found that a threshold stress level below 150 MPa delimits the transition from a homogeneous (low stress) to localized but reversible Lüders type transformation (high stress) when the transformations are induced under constant applied stress and that reorientation processes require stresses of 100 MPa in the present UFG wires. Even though the strain evolutions do not always show two distinct yielding events during cooling or heating, electrical resistance measurements proved that a two-step transformation involving R-phase and B19' martensite was always present in the extended range of temperatures and stresses investigated here.