Mehrachsige thermomechanische Ermüdung mit Temperaturgradienten
Final Report Abstract
In dem abgeschlossenen Forschungsprojekt wurden experimentell durch die Überlagerung von Temperaturgradienten und mechanischer Beanspruchung gezielt mehrachsige Spannungszustände in Proben aus beschichteten einkristallinen Nickelbasis- Superlegierungen eingestellt. Für verschiedene thermomechanische Ermüdungsversuche mit unterschiedlichem Spannungsverhältnis in Umfangs- und Längsrichtung der rohrfb'rmigen Proben wurden die mikrostrukturellen Veränderungen im Substrat (gerichtete Vergröberung und Koagulation der kubischen y'-Ausscheidungen, so genannte, Floßbildung' oder, Rafting') aus Simulationsrechnungen richtig vorhergesagt. Das Verformungsverhalten zweier verschiedener metallischer Oxidationsschutzsysteme - PtAl und NiCoCrAlY, jeweils ohne zusätzliche Keramikschicht - wurde unter mehrachsiger Ermüdungsbeanspruchung mit Temperaturgradienten experimentell untersucht. Es wurde ein unterschiedliches Aufrauhungsverhalten (,Rumpling') der oberflächennahen Bereiche der beiden Schichtsysteme beobachtet, das auf Unterschiede in der Ausbildung einer Oxidschicht zurückgeführt werden konnte. Ohne die zeitund temperaturabhängig wachsende Oxidschicht würde nach einer anfänglichen Verformung in den ersten Lastzyklen der Aufrauhungsprozess stoppen (,shake-down effekt'). Durch die in der Hochtemperaturphase der thermomechanischen Ermüdungszyklen permanent nachwachsende Oxidschicht wird der Aufrauhungsprozess weiter angetrieben. Bei den untersuchten Schichten zeigte das NiCoCrAlY eine deutlich stärkere Aufrauhung als die PtAl-Schicht, obwohl die Fließgrenze von PtAl bei Hochtemperatur geringer ist und damit die Aufrauhung durch plastische Verformung in den ersten Lastzyklen einfacher ist. Jedoch war das Oxidschichtwachsrum auf der PtAl- Schicht deutlich geringer als auf NiCoCrAlY, wodurch die treibende Kraft für eine weitere Akkumulation irreversibler Verformung geringer war. Die Aufrauhung der metallischen Schutzschichten ist von praktischer Bedeutung, da sich aufgrund lokaler Spannungsüberhöhungen in den Rauhigkeitstälern Risse bilden und in das Substrat wachsen können. Die Ergebnisse an den beiden metallischen Oxidationsschutzschichten bestätigen die Hypothese, dass das laterale TGO-Wachstum notwendig ist für die Aufrauhung der metallischen Oberfläche und liefern einen Ansatz zur Reduktion der unerwünschten Aufrauhung durch Entwicklung von metallischen Schutzschichten, die sehr langsam oxidieren. Aus Versuchen an Schichtsystemen mit zusätzlicher keramischer Wärmedämmschicht ergaben sich Hinweise auf die Rolle der TGO-Eigenschaften bei der Rissentstehung und dem Versagensverhalten der Wärmedämmschichtsysteme, die eine Verbesserung des Lebensdauerverhaltens der Schichtsysteme durch die Entwicklung von Systemen in Aussicht stellen, die eine TGO mit hohem Relaxationsvermögen generieren. Die in den Versuchen verwendete experimentelle Technik der thermomechanischen Ermüdung mit überlagerten Temperaturgradienten geht über die bisher verfügbaren experimentellen Möglichkeiten hinaus und bietet die Möglichkeit, das Verformungs und Schädigungsverhalten von Werkstoffen unter kontrollierter mehrachsiger Beanspruchung durch Temperaturgradienten zu quantifizieren. In zukünftigen experimentellen Untersuchungen ist es wichtig, die (irreversiblen) Dehnungen unter mehrachsiger Beanspruchung möglichst exakt zu erfassen und den Verformungsmechanismen zuzuordnen, um das Verformungs- und Schädigungsver- halten in Kriech-Ermüdung mittels numerischer Modelle abbilden zu können. Ein wesentliches Ziel der weiterführenden Arbeiten wäre dabei, den Einfluss der Wechselwirkungen zwischen (i) zeit- und lastwechselzahlabhängigen Prozessen generell und (ii) den Einfluss der Wechselwirkungen von Schicht- und Substratschädigung auf das Lebensdauerverhalten der beschichteten Probe zu modellieren und experimentell zu validieren. Experimentell validierte Modelle könnten unmittelbar angewendet werden, um eine verbesserte Lebensdauerabschätzung für Bauteile zu erzielen, die bei komplexen thermomechanischen Beanspruchungen unter hohen Temperaturgradienten betrieben werden. Eine höhere Zuverlässigkeit aufgrund genauerer Lebensdauerabschätzung würde es ermöglichen, das Werkstoffpotential besser auszunutzen. Das kann Materialersparnis und leichtere Bauweisen bedeuten oder im Falle von Gasturbinenschaufeln die Steigerung des thermischen Wirkungsgrades durch Erhöhung der Arbeitstemperaturen, was wiederum zur Verringerung des Energieeinsatzes und damit der Emissionen fuhren würde.
Publications
- Advanced thermal mechanical fatigue testing ofCMSX-4 with oxidation protection coating B. Baufeld, M. Bartsch, M. Heinzelmann, International congress on "High Temperature Thermo- Mechanical Fatigue: Testing Methodology, Interpretation of Data, and Applications" Bundesanstalt für Materialprüfung (BAM), Berlin 22nd and 23rd September, 2005.
- CMSX-4 with Thermal Barrier Coating under Thermal Gradient Mechanical Fatigue B. Baufeld, M. Bartsch (V), M. Heinzelmann: 9th international conference on Fatigue 2006, U.S.A., Atlanta, GA, May 16-19, 2006.
- Fatigue cracks in a thermal barrier coating system on a super alloy in multiaxial thermomechanical testing M. Bartsch, B. Baufeld, S. Dalkilic, M. Heinzelmann, International congress on "High Temperature Thermo-Mechanical Fatigue: Testing Methodology, Interpretation of Data, and Applications" Bundesanstalt für Materialprüfung (BAM), Berlin 22nd and 23rd September, 2005.
- he role of cyclic mechanical loading and thermal gradients in damage behaviour of thermal barrier coating systems M. Bartsch (V), B.Baufeld, S. Dalkilic, M. Heinzelmann, 29th annual international conference on composites, advanced ceramics materials and structures, American Ceramic Society, 23.-2S. Januar 2005, Cocoa Beach, FL
- Schädigungsverhalten von beschichteten Nickelbasis-Legierungen unter thermomechanischer Ermüdung mit kontrollierten Temperaturgradienten M, Bartsch, L. Chernova, B. Baufeld, M. Heinzelmann, Sitzung der Arbeitsgruppe ,Verformungs- und Versagensverhalten bei komplexer thermisch-mechanischer Beanspru-chung im DVM-Arbeitskreis ,Bruchvorgänge', Universität Karlsruhe, 5. April 2006.
- Thermo-mechanical fatigue behaviour of thermal barrier systems M. Heinzelmann (V), M. Bartsch, B. Baufeld, Euromat 2005, 5. - 8. September 2005 in Prag, Tschechische Republik
