Einfluss der zyklischen thermischen und mechanischen Belastungsgeschichte auf das Rissschließen, das Risswachstum und die Schädigungsinteraktion von Nickelbasis-Gusslegierungen

• Antragsteller: Dr. Christoph Schweizer; Professor Dr.-Ing. Thomas Seifert
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 392066748

Gasturbinenkomponenten werden hohen thermischen und mechanischen Belastungen durch Start-Stopp-Zyklen ausgesetzt, so dass bei der Festigkeitsbewertung der Komponenten die thermomechanische Ermüdung (thermomechanical fatigue, TMF) der eingesetzten Nickelbasis-Legierungen ein wesentliches Auslegungskriterium darstellt. Durch die ständigen Temperaturtransienten und die Strukturmechanik erfahren Komponenten im Betrieb an den lebensdauerkritischen Stellen unterschiedliche Belastungsgeschichten, wobei die Phasenwinkel zwischen thermischer und mechanischer Belastung lokal unterschiedlich sind (ouf-of-phase, in-phase, phase-shift). Damit eine aussagekräftige Lebensdauerbewertung möglich ist, müssen die Lebensdauer bestimmenden Mechanismen des Risswachstums verstanden werden. In diesem Zusammenhang haben insbesondere das Rissschließen und die Interaktion unterschiedlicher Schädigungsmechanismen einen großen, heute noch nicht quantifizierbaren Einfluss, da die Werkstoffkennwerte temperaturabhängig sind, zeitabhängiges Werkstoffverhalten auftritt und somit die Phasenbeziehung eine wichtige Rolle spielt. In diesem Vorhaben sollen einerseits experimentelle Untersuchungen zum Risswachstum, dem Rissschließen und der Schädigungsinteraktion durchgeführt werden. Anderseits sollen über numerische Untersuchungen mit der Finiten-Elemente Methode Korrelationen zwischen Rissschließen, Risswachstum und Werkstoffkennwerten identifiziert werden. Auf Basis der experimentellen und numerischen Ergebnisse wird ein mechanismenbasiertes Modell entwickelt, das den Einfluss der temperaturabhängigen mechanischen Eigenschaften in Kombination mit der Phasenbeziehung und der Zeitabhängigkeit auf das TMF Risswachstum des polykristallinen Nickelbasis-Gusswerkstoffs IN100 wiedergibt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen