Verbundprojekt: OptiSysKom; Vorhaben-Nr.: AP 1.3 - Probabilistische Bewertung der Wechselwirkung von Kriechschädigung und hochzyklischer Ermüdung in Ni-Basislegierungen; Teilvorhaben der RPTU Kaiserslautern-Landau (vormals TU Kaiserslautern)

Abstract

An der polykristallinen Ni-Basis-Gusslegierung Alloy 247 LC CC erfolgten (i) Kriechversuche bis zu definierten Dehnungen und anschließender mittellastfreier Ermüdungsbeanspruchung bis zum Probenversagen bei jeweils 850°C und 900°C, (ii) Ermüdungsversuche mit hohen Mittellasten und (iii) Ermüdungsversuche mit blockweiser Variation der Spannungsamplitude und/oder Mittellast bei den selben Temperaturen. Die Versuche wurden an massiven Rundproben, und für die Fälle (i) und (ii) auch an gekerbten Rundproben durchgeführt. Umfangreiche Nachuntersuchungen mit fraktographischen, metallographischen und computertomographischen Methoden ermöglichten die umfassende Aufklärung sowohl der Schädigungsmechanismen als auch der Wachstumskinetik der Kriechporen in Abhängigkeit von den Beanspruchungsparametern. Mit diesen Resultaten wurde ein beim Projektpartner Siemens Energy entwickeltes, diffusionsbasiertes Kriechporenwachstumsmodell samt der Simulation der sekundären Kriechrate nach dem Ansatz von Garofalo angepasst. In gemeinsamen Arbeiten erfolgte die Erweiterung des defektbasierten Ansatzes zur Bewertung der Ermüdungsfestigkeit nach Kitagawa-Takhashi (KT) auf Kriech-Ermüdungsbelastungen. In dieses neue Kitagawa-Takahashi-Creep- (KTC-) Modell wurde die infolge der groben Kornstruktur und ausgeprägten elastischen Anisotropie polykristalliner Ni-Gusslegierungen ausgeprägte Streuung des Kriech- und Ermüdungsverhaltens mittels probabilistischer Ansätze integriert. Damit erlaubt das KTC-Modell eine physikalisch begründete und durch umfangreiche Experimente abgesicherte Einschätzung der Zeit bis zum Werkstoffversagen in Abhängigkeit der Temperatur, Mittelspannung und Spannungsamplitude. Anhand der Ermüdungsversuche mit blockweiser Variation der Amplituden- und Mittelspannung wurden die Möglichkeiten und Grenzen linearer Schadensakkumulationsrechnungen nach Miner und Robinson ausgelotet. Wenngleich bei ausgeprägt abfallenden Lastfolgen eine Überschätzung der Lebensdauer vorliegt, zeigte sich die prinzipielle Anwendbarkeit dieses Ansatzes bei praxisrelevanten Beanspruchungsprofilen.