title: Einfluss der Mikrostruktur auf das Rissverhalten grobkörniger Nickelgusslegierungen unter Berücksichtigung der Anisotropie
Creators: name: Wöllmann, Lorenz
Publisher: name: UNSPECIFIED
Year: 2025

description: Nickelgusslegierungen werden in Heißgasturbinen bspw. in Turbinenschaufeln eingesetzt und sind dabei hohen thermomechanischen Beanspruchungen ausgesetzt. Ein grobkörniges Korngefüge findet sich insbesondere im Schaufelfuß solcher Bauteile. Dabei kann aufgrund der orientierungsabhängigen Anisotropie des Gefüges die Annahme von isotropem Materialverhalten in Frage gestellt werden und macht zumindest die Verwendung großer Sicherheits-faktoren bei der Auslegung nötig. Bei Rissfortschrittsuntersuchungen ist unter einer Kriechbeanspruchung das Phänomen der sekundären Rissinitiierung in grobkörnigen Nickelgusswerkstoffen aufgetreten. Dieses Rissverhalten kann anhand der vorhandenen Bewertungsmethoden nicht ausreichend beschrieben werden und bisher existiert keine eindeutige Erklärung für das Auftreten dieser Risse. In dieser Forschungsarbeit wird der Einfluss der Anisotropie auf das lokale Verformungsverhalten unter einer Kriechbeanspruchung, sowohl experimentell als auch anhand von simulationsgestützten Methoden analysiert. Darauf basierend wird ein Bewertungskonzept entwickelt, welches in der Lage ist, anhand von unterschiedlichen Parametern mögliche Rissinitiierungsorte in einer Mikrostruktur zu identifizieren. Insbesondere wird dabei untersucht, ob eine kritische Kornorientierungskombination existiert, die aufgrund der durch die Anisotropie verursachten Spannungskonzentration eine Rissinitiierung begünstigt. Dafür wird für jedes Korn das orientierungsabhängige Werkstoffverhalten benötigt. Der gewählte Ansatz basiert auf der Übertragung des einkristallinen Verhaltens auf einen grobkörnigen Polykristall. Für die Bestimmung des anisotropen mechanischen Verhaltens wird der Werkstoff IN713 ausgewählt, da er die Besonderheit aufweist, als einkristalline und polykristalline Variante abgegossen werden zu können. Für das Bewertungskonzept werden zum einen Kriterien herangezogen, die ausschließlich auf der Kornorientierung basieren, wie Schmid-Faktor und Kornrotation. Zum anderen erfolgt die Bewertung der gesamten Kornstruktur mit Hilfe eines mikrostrukturbasierten FE-Modells. Über das Lösen eines Knotens wird ein Riss eingebracht und der potenzielle Rissinitiierungsort mittels Energiedifferenz zu einem rissfreien Modell bruchmechanisch bewertet. An Flachproben werden anschließend Kriechversuche bei 850 °C mit begleitender optischer Dehnfeldmessung durchgeführt, um den Übertrag des einkristallinen Werkstoffverhaltens auf den Polykristall zu validieren. Das Bewertungskonzept wird auf diese Flachproben angewendet und der experimentell beobachtete Rissinitiierungsort mit den entwickelten Parametern korreliert. Es wird eine Kombination aus dem "potential primary creep factor" und der Auswertung der Energiedifferenz aus dem mikrostrukturbasierten FE-Modell als erfolgsversprechend für die Vorhersage des Rissinitiierungsorts identifiziert. Weiterhin wurde eine Kornorientierung von [011] als kritisch bei Kriechbeanspruchung festgestellt und ein Zusammenhang zum Auftreten einer Kornrotation gefunden. Diese Ergebnisse stellen einen wichtigen Schritt dar, um das Rissverhalten in grobkörnigen Nickelgusslegierungen besser verstehen und beschreiben zu können.