title: Ermittlung und quantitative Beschreibung des Schwellenwertverhaltens von IN718 unter Hochtemperaturbedingungen
Creators: name: Brune, Timo
Publisher: name: UNSPECIFIED
Year: 2025

description: Zur Bewertung der Kritikalität von Anfangsdefekten in rotierenden Komponenten von Turbomaschinen, die hochzyklischen Ermüdungsbeanspruchungen ausgesetzt sind, wird auf zyklische Risswiderstandskurven (R-Kurven), die das Schwellenwertverhalten gegen Rissausbreitung physikalisch kurzer Ermüdungsrisse beschreiben, zurückgegriffen. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Versuchstechnik zur experimentellen Ermittlung von zyklischen R-Kurven bei Raumtemperatur auf Hochtemperaturbedingungen übertragen. Mithilfe von soft- und hardwareseitigen Optimierungen eines bestehenden Prüfstands zur Durchführung von Rissfortschrittsversuchen kann das Schwellenwertverhalten von Nickelbasislegierungen am Beispiel von drei unterschiedlich (zwei herkömmlich gefertigte - geschmiedet und gegossen und eine additiv gefertigte - im PBF-LB/M Prozesse hergestellte) gefertigten Materialvarianten von IN718 unter Hochtemperaturbedingungen
bei den drei Lastverhältnissen −1, 0 und 0,5 ermittelt werden. Insbesondere die fehlende optische Zugänglichkeit der untersuchten Proben sowie die für hochfeste Materialien typischen sehr kurzen Rissverlängerungen stellen die größten Herausforderungen beim Erreichen dieses Ziels dar. Basierend auf den experimentell ermittelten zyklischen R-Kurven werden Methoden entwickelt, mit denen die Anteile aktiver Rissschließmechanismen, die das Schwellenwertverhalten maßgeblich beeinflussen, quantifiziert werden können. Der Einfluss von plastischen Verformungen um die Rissspitze und entlang der Rissflanken wird über eine Finite Elemente basierte Rissfortschrittssimulation quantifiziert, wobei der Beanspruchungsverlauf aus den experimentell ermittelten zyklischen R-Kurven gewonnen und für diese Simulation risslängenabhängig vorgegeben wird. Auf diese Weise werden plastizitätsinduzierte Rissschließanteile für IN718 bei 650 °C für die drei untersuchten Lastverhältnisse −1, 0 und 0,5 quantifiziert. Detaillierte Untersuchungen dieser Rissschließanteile zeigen, dass eine Betrachtung auf Basis der Maximalbeanspruchung bei unterschiedlichen Lastverhältnissen zur Bewertung des Anteils an plastitzitätsinduziertem Rissschließen,
wie sie in analytischen Ansätzen angewendet wird, alleine nicht ausreicht. Vielmehr muss die Beanspruchungsschwingbreite in die Ergebnisinterpretation miteinbezogen werden. Der Einfluss von sich ausbildenden Oxidschichten oder von akkumulierenden Oxidpartikeln auf das Rissausbreitungsverhalten wird über den Vergleich zwischen zyklischen R-Kurven, die an Luft ermittelt werden, mit solchen, die im Vakuum ermittelt werden, quantifiziert. Die sehr ähnliche chemische Zusammensetzung der drei untersuchten Materialvarianten von IN718 sorgt für vergleichbare Anteile von oxidinduziertem Rissschließen zwischen den Materialzuständen. Sie fallen dabei für alle drei untersuchten Lastverhältnisse sehr gering verglichen mit dem Gesamtrissschließanteilen aus, da dieses Material bei der Versuchstemperatur von 650 °C eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit aufweist. Gestützt werden diese Untersuchung durch die Auswertung von isothermen Auslagerungsversuchen bei 650 °C, die das sehr ähnliche Oxidationsverhalten und die geringe Oxidationsneigung der Materialvarianten nochmal verdeutlichen. Über die Berücksichtigung der plastizitätsinduzierten und oxidinduzierten Rissschließanteile in den Gesamtrissschließanteilen werden
rauheitsinduzierte Rissschließanteile für die drei Materialvarianten unter den Versuchsbedingungen ermittelt. Die Verzahnung von Rissflanken, die zu rauheitsinduziertem Rissschließen führt, wird mithilfe von fraktographischen Untersuchungen der Bruchflächen an Proben aus Schwellenwertversuchen interpretiert. Die Übertragung der experimentellen Versuchstechnik zur Ermittlung zyklischer R-Kurven von Raumtemperaturauf Hochtemperaturbedingungen und die Entwicklung einer Vorgehensweise zur Quantifizierung aktiver Rissschließmechanismen im Kurzrissbereich ermöglichen eine Vertiefung des Verständnisses des Ausbreitungsverhaltens physikalisch kurzer Risse in Nickelbasiswerkstoffen. Auf diese Weise wird ein wichtiger Beitrag
zur bruchmechanischen Bewertung der Kritikalität von Anfangsdefekten bezogen auf die Lebensdauer in Bauteilen unter hochzyklischer Ermüdungsbeanspruchung geleistet.