Anelastische Dämpfung der Resonanz-Ultraschall-Spektroskopie (RUS) in nickelreichen Mischkristallen bei sehr hoher Temperatur

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Uwe Glatzel
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 526145730

Das Element Rhenium (Re) ist maßgeblich verantwortlich für die herausragenden mechanischen Eigenschaften von Nickelbasis-Superlegierungen bei hohen Temperaturen. Als Werkstoff für Turbinenkomponenten sind diese Legierungen auch Vibrationsbelastungen ausgesetzt. Durch die Methode der Resonanz-Ultraschall-Spektroskopie (RUS) können die richtungsabhängigen elastischen Konstanten bis zum Einsetzen der Dämpfung präzise ermittelt werden. Eine erhebliche Dämpfung setzt, je nach Werkstoff bei ca. 1000°C, also deutlich unterhalb der Solidustemperatur (ca. 1350°C) ein. Über die legierungsabhängigen Dämpfungseigenschaften in diesem Temperatur- und Frequenzbereich gibt es bisher nur wenig Erkenntnisse. Am Lehrstuhl Metallische Werkstoffe wurde ein RUS Messstand im Eigenbau in Betrieb genommen, mit welchem Messungen bis 1500°C möglich sind. Vorarbeiten zeigen, dass Mischkristallverfestiger wie Re die Dämpfungseigenschaften von nickelreichen, einphasigen, kfz-Mischkristallen bei sehr hohen Temperaturen beeinflussen. Ein hoher Anteil schwerer Legierungselemente senkt die Aktivierungsenergie und Starttemperatur der Dämpfung signifikant. Es gibt Hinweise darauf, dass die beobachtete Dämpfung auf Defekttransport entlang des sich ändernden Dehnungsfeldes zurückgeht. Im beantragten Projekt sollen Daten generiert werden, die diese Hypothese stützen. Es ergeben sich die folgenden drei zentralen Fragestellungen. 1) Wie lässt sich die Dämpfung bei der Resonanz-Ultraschall-Spektroskopie im Frequenzbereich 50 – 500 kHz präzise und reproduzierbar über einen großen Temperaturbereich quantifizieren? 2) Wie beeinflussen die hochschmelzenden Legierungselemente Re und Ru die temperaturabhängigen Dämpfungseigenschaften der Ni-reichen Mischkristallmatrix quantitativ? 3) Welche Regeln für die Vorhersage der temperaturabhängigen mechanischen Dämpfung können daraus bestimmt werden? Zur Beantwortung dieser Fragen muss der Messaufbau optimiert werden im Hinblick auf eine minimale Grunddämpfung einer Messung und auf die automatisierte Auswertung der Resonanzpeaks. Der Einfluss der Prozessroute auf die Dämpfungseigenschaften soll durch weitere Untersuchungen quantifiziert werden, um Standards für die weiteren Untersuchungen zu definieren. Der Einfluss der Legierungselemente Re und Cr auf die RUS Dämpfung wird anhand von einphasigen Proben ermittelt. Aus den quantitativen Messungen der Dämpfungseigenschaften der Re- und Cr-haltigen Proben soll ein Modell abgeleitet werden, aus welchem Regeln zur Auslegung von Legierungen mit optimiertem Dämpfungsverhalten abgeleitet werden können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen