Thermisch-mechanische Ermüdung von Nickel-Gusslegierungen und Nickel-Schmiedelegierungen

Die zunehmende Energieknappheit verbunden mit verstärkten ökologischen Anforderungen zwingt die Hersteller von Verbrennungsmaschinen, den Einsatz neuer, höher zu beanspruchender Werkstoffe anzustreben. Der Einbau höchstwarmfester Werkstoffe auf Nickel-Basis ermöglicht eine Erhöhung der Betriebstemperatur und des Wirkungsgrades. Beim Betrieb von Bauteilen und Komponenten in warmgehenden chemischen Anlagen, bei der Energieerzeugung und in Triebwerken, wie z. B. Brennkammern und Turbinenschaufeln, werden diese unter erhöhter Temperatur komplexen Belastungen ausgesetzt, die sich in der Regel aus der Überlagerung von niederfrequenter thermisch induzierter Ermüdungsbeanspruchung, quasistatischer Kriechbeanspruchung, höherfrequenter mechanischer Ermüdungsbeanspruchung sowie Oxidations- und Korrosionsangriffen ergeben. Hierbei kann die niederfrequente thermische Ermüdung mit hohen lokalen Spannungs- und Dehnungsamplituden Ursache für die Bildung erster Ermüdungsrisse sein. Sie beruht auf inhomogenen und instationären Temperaturfeldern, die infolge wiederholter An- und Abfahrvorgänge entstehen. Die teilweise aggressiven Umgebungsmedien und hohen Einsatztemperaturen fördern zudem Korrosions- und Oxidationsschädigung. Jede dieser Beanspruchungskomponenten und deren Wechselwirkung untereinander kann zu Veränderungen der Mikrostruktur und dadurch der mechanischen Eigenschaften führen. Bei der Dimensionierung derartig beanspruchter Bauteile müssen daher sämtliche Belastungskomponenten und deren Zusammenwirken berücksichtigt werden. Bei Schaufeln von Gasturbinen ist die Schädigung infolge der Temperaturwechsel oft lebensdauerbestimmend. Dabei können sich an kritischen Stellen mikroskopische Anrisse bilden, die sich unter dem Einfluss der weiteren Betriebsbeanspruchung ausbreiten und zur Beeinträchtigung der Funktionsfähigkeit des Bauteils bis hin zum katastrophalen Versagen führen können. Als Schwerpunkt dieser Arbeit wird das Verformungs- und Versagensverhalten von Nickelbasis-Guss- und Schmiedelegierungen unter thermisch-mechanischen Ermüdungsbeanspruchungen (Thermal Mechanical Fatigue – TMF) charakterisiert. Die γ`-verfestigten Gusslegierungen Renè 80 und MAR M 247 sind typische Vertreter für Gasturbinen- Schaufelwerkstoffe. Die Schmiedelegierungen IN 718 und IN 706 werden als Scheibenwerkstoffe in stationären Gasturbinen und Triebwerken eingesetzt. Bei den Untersuchungen an diesen Werkstoffen wird die Auswirkung von verschiedenen mechanischen Totaldehnungsamplituden, Haltezeiten und Maximaltemperaturen auf das Wechselverformungs- und Lebensdauerverhalten bei TMF ermittelt. Bei einigen ergänzenden Untersuchungen wird das Werkstoffverhalten bei der Überlagerung von TMF- und Kriechbeanspruchung untersucht. Abschließend werden an der Schmiedelegierung IN 706 orientierende Untersuchungen zum Kerbverformungsverhalten unter TMF- Bedingungen mit Hilfe von neuberzahlgeregelten TMF- Kerbsimulationsexperimenten durchgeführt.