Quasispröde zeitabhängige Rissausbreitung während Hochtemperaturermüdung der Nickelbasis-Superlegierung IN718 - Einflüsse der Mikrostruktur und der Beanspruchungsbedingungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Ulrich Krupp
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2004 bis 2013
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5422231

• Erstellungsjahr: 2013

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Ermüdungsrissausbreitung in hochfesten polykristallinen Superlegierungen bei erhöhten Temperaturen weist einen erheblichen Frequenz- bzw. Haltezeiteinfluss auf. Dieser konnte durch Rissausbreitungsversuche in Luft und im Vakuum, mit und ohne Haltezeit und unterschiedlichen Frequenzen, differenziert nachgewiesen werden. Die Hypothese, dass schnelle Sauerstoffdiffusion entlang von zufällig orientierten Großwinkelkorngrenzen hierbei die maßgebliche Rolle spielt (Mechanismus Dynamische Versprödung), wurde anhand thermomechanisch korngrenzenbehandelter Proben (GBE, grain boundary engineering) und unterschiedlich orientierten Bikristallen untermauert. Sind spezielle CSL-Korngrenzen (im Wesentlichen ∑3 und ∑9-Korngrenzen) in einem solchen Anteil vorhanden, dass sie das Korngrenzennetzwerk für die Sauerstoffdiffusion unterbrechen, kann die Schädigung durch Dynamische Versprödung unterbunden bzw. maßgeblich reduziert werden. Es wurde gezeigt, dass sich dieser positive Effekt auch auf die interkristalline Oxidation, insbesondere in einem mittleren Temperaturbereich von etwa 800°C, auswirkt. Bei Ermüdungsbeanspruchung besteht eine Wechselwirkung zwischen reiner dynamischer Versprödung (Haltezeit bei max. Zuglast, Diffusion von Sauerstoff in die Korngrenzen gefolgt von Dekohäsion) und zyklischer Plastizität (Ermüdung ohne Haltezeit). In einem einfachen phänomenologischen Modell wird vom Aufbau einer Schadenszone ausgegangen, die sich während der Haltezeit (bei mittlerer Spannungsintensität) aufbaut und die beim Lastwechsel aufreißt. Das resultierende Modell erlaubt eine tendenziell richtige Vorhersage der Rissausbreitung und wird weiter entwickelt.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Dynamic embrittlement of nickel-based alloys, Dissertation, University of Pennsylvania, Advisor: C.J. McMahon, Jr., (2005)
  W.M. Kane
  
• Dynamic Embrittlement – Time-Dependent Brittle Intergranular Fracture at High Temperatures, International Materials Reviews, 50 (2005) S. 83-97
  U. Krupp
  
• Improving the Resistance to Dynamic Embrittlement and Intergranular Oxidation of Nickel Based Superalloys by Grain Boundary Engineering Type Processing, Materials Sciences and Technology, Vol. 21, (2005), 1247-1254
  U. Krupp, P.E.-G. Wagenhuber, W.M. Kane, C.J. McMahon, Jr.
  
• Studying the Role of the Alloy-Grain-Boundary Character during Oxidation of Ni-Base Alloys by Means of the EBSD Technique, Materials at High Temperatures, 22 (2005) 31-36
  V.B. Trindade, U. Krupp; Ph. E.-G. Wagenhuber, Y.M. Virkar, H.-J. Christ
  
• The Role of Oxygen-Grain-Boundary Diffusion during Intercrystalline Oxidation and Intergranular Fatigue, in Proceedings of the sixth International Superalloys 718, 625, 706 and Derivatives, Loria, E.A. (Hg.) Warrandale (USA), 2.08.2005- 5.08.2005, ASTM International, West Conshohocken, Pa, (2005), 591-600
  P.E.-G. Wagenhuber, V. Trindade, U. Krupp
  
• Dynamic Embrittlement - Diffusion-Induced Intergranular Cracking, Defect and Diffusion Forum, 258-260 (2006) 192-198
  U. Krupp
  
• Fatigue Crack Propagation in Metals and Alloys, Wiley VCH, Weinheim 2007
  U. Krupp
  
• Improving the Resistance to Intergranular Cracking and Corrosion at Elevated Temperatures by Grain-Boundary-Engineering-Type Processing, Journal of Materials Science, 43 (2008) 3908-3916
  U. Krupp
  
• Part I: Anisotropy of Cracking from Oxygen-Induced Dynamic Embrittlement in Bicrystals of IN718, Materials Science and Engineering A, 507 (2009) 58
  W.M. Kane, U. Krupp, C.J. McMahon Jr.
  
• Charakterisierung der Hochtemperaturermüdungsrissausbreitung durch kombinierte optische und resistometrische Risslängenmessung, in: Tagung Rissausbreitung in der Nickelbasis Superlegierung IN718 3 „Werkstoffprüfung“ 2010: Konstruktion, Werkstoffentwicklung und Schadensanalyse, Pohl, M. (Hg.), Neu-Ulm (Deutschland), 2.12.2010-3.12.2010, Verlag Stahleisen GmbH, Düsseldorf, (2010), 119-124
  K. Wackermann, U. Krupp, H.-J. Christ
  
• Effects of the Environment on the Crack Propagation Behaviour of IN718 in the Temperature Range of the Dynamic Embrittlement, in: International Symposium on Creep-Fatigue Interactions, Saxena, A.; Dogan, B. (Hg.), San Antonio (TX, USA), 17.11.2010-19.11.2010, ASTM International, West Conshohocken, PA, (2011), 297-310
  K. Wackermann, U. Krupp, H.-J. Christ
  
• Interkristalline Werkstoffschädigung bei hohen Temperaturen, Tagungsband: 14. Sommerkurs Werkstoffe und Fügen, 23. und 24. September 2011 in Magdeburg, 27-34
  U. Krupp