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Akkumulative Beschreibung des Risswachstums in Nickel-Gusslegierungen unter anisothermen Bedingungen

Krämer, Karl Michael (2018):
Akkumulative Beschreibung des Risswachstums in Nickel-Gusslegierungen unter anisothermen Bedingungen.
Darmstadt, Technische Universität, [Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Akkumulative Beschreibung des Risswachstums in Nickel-Gusslegierungen unter anisothermen Bedingungen
Language: German
Abstract:

Heißgasturbinen werden sowohl stationär zur Stromerzeugung als auch als Triebwerke in der Luftfahrt verwendet. Um deren Wirtschaftlichkeit trotz steigender Rohstoffpreise und Emissonsbegrenzungen zu gewährleisten, ist eine Steigerung der Effizienz und der Flexibilität notwendig. Die damit verbundenen höheren Beanspruchungen von Komponenten unter Hochtemperaturbedingungen zwingen Hersteller und Betreiber von Gasturbinen zunehmend zu einer schadenstoleranten Auslegungs- und Betriebsweise. Initiierung und Wachstum von Rissen werden in beschränktem Maße zugelassen. Um die Sicherheit dennoch zu gewährleisten, ist eine verlässliche Vorhersage des Risswachstums unter Betriebsbedingungen, als Grundlage für die Festlegung von Inspektions- und Revisionsintervallen notwendig. In dieser Arbeit wird mit der Methode der linearen Akkumulation ein Risswachstumsmodell für ausscheidungsgehärtete Nickelgusslegierungen sowohl unter isothermer Kriech- Ermüdungsbeanspruchung, als auch unter anisothermer thermomechanischer Ermüdung (engl. thermo-mechanical fatigue, TMF) entwickelt. Aus vorrangegangenen Untersuchungen zum Rissfortschritt unter isothermen und anisothermen Bedingungen in Nickelgusslegierungen werden Ermüdung, Kriechen und Oxidation als die maßgeblichen Belastungsformen identifiziert. Die Wirkungsweise dieser Schädigungsfaktoren wird im Hinblick auf ihre Beiträge zum Risswachstum analysiert und es werden entsprechende quantitative Beschreibungen im Rissfortschrittsmodell „O.C.F.“ zusammengefasst. Dieses lineare Akkumulationsmodell ist in der Lage, die Einflüsse zeitabhängiger Schädigung, verschiedener Spannungsverhältnisse und Phasenverschiebungen, sowie der Bauteilgeometrie auf das Risswachstum unter TMF-Bedingungen wiederzugeben. Mögliche Interaktionen der Terme werden vernachlässigt. Wesentliche Vorteile der hier vorgestellten Berechnungsmethode gegenüber bestehenden Rissfortschrittsmodellen sind die Abbildung verschiedener Lastzyklusformen ohne empirische Korrekturfaktoren und die Möglichkeit eine analytische Abschätzungen für Risswachstum ohne umfangreiche Datenaufbereitung vornehmen zu können. Zur Demonstration wird das Modell für zwei Nickelgusslegierungen angepasst und die Vorhersagequalität überprüft. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Validierung der Modellvorhersagen für verschiedene Kriechermüdungs- und TMF-Belastungsformen, der Übertragbarkeit auf anisotrope Gussvarianten sowie der Anwendbarkeit bei bauteilähnlichen Rissgeometrien. Als Ergebnis liefert das „O.C.F.“-Modell eine gute Vorhersage des Risswachstums für eine hohe Bandbreite von Lastbedingung und Geometrien. Die verbleibenden Abweichungen lassen sich unter anderem auf die typische Streuung dieser Werkstoffklasse zurückzuführen. Durch die lineare Modellformulierung kann zu jedem Zeitpunkt eines Risswachstumsverlaufs die dominierende Triebkraft abgefragt werden. Diese Vorhersagen lassen sich mit Beobachtungen aus fraktographischen Untersuchungen von Rissverläufen und in-situ Aufnahmen des Risswachstums in Verbindung bringen. So können die Rissausbreitungsmechanismen bei verschiedenen TMF-Lastzyklusformen identifiziert werden. Der Einfluss der einzelnen Rissfortschrittsfaktoren auf das Gesamtergebnis wird zusätzlich in einer Parameterstudie untersucht. Abschließend wird anhand des Beispiels einer Flachprobe mit Bohrung gezeigt, wie das Modell in Verbindung mit Finiter Element-Berechnungen genutzt werden kann, um synthetisch Anrisskennlinien für TMF-Bedingungen zu generieren.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
To ensure the feasibility of gas turbines, despite rising commodity prices and emission restrictions, an enhancement of both their efficiency and flexibility is necessary. The consequential higher loading of components at high temperature conditions forces manufacturers and operators of gas turbines, as well for power generation as jet engines, into damage tolerant design approaches. The initiation and growth of cracks is accepted within a certain limit. To still guarantee a safe operation, a reliable estimation of crack growth under service conditions is needed to define inspection and revision intervals. In this work the method of linear accumulation is used to develop a crack growth model for nickel cast superalloys under creep-fatigue and thermo-mechanical fatigue (TMF) conditions. From earlier investigations on nickel cast alloys, fatigue crack growth, creep crack growth and oxidation were determined as the primary drivers of TMF crack growth. The effect of these damage factors in terms of crack propagation is analysed and summarized in the crack growth model “O.C.F.”. This model is capable to reproduce the effects of time-dependent loading, different load ratios and TMF phase shifts, as well as from component geometry. Possible interactions between the three mechanisms are disregarded. Substantial advantages of this method are its independence from empiric correction factors to assess certain load cycle forms and the possibility to give analytic estimations without the need of extensive data processing. The model is calibrated for two nickel cast alloys to assess its predictive capabilities. Special attention is given to validate the model calculations in different creep-fatigue and TMF loading scenarios. A part of this is the transferability onto component-like crack geometries. As a result, the “O.C.F.“-model gives good predictions for the crack growth at a wide range of loading conditions and geometries. The remaining variations are attributed to the material scatter typically observed in this class of alloys. The models linear formulation allows assessing the dominant driver of crack growth at each stage of an experiment. These predictions are compared with fractographic investigations of crack paths and in-situ observations of the crack behaviour. This is used to identify the mechanisms of crack growth under different TMF load cycle forms. The influence of the individual crack growth factors on the overall assessment is studied statistically. Finally, the model is used in combination with finite element calculations, on the example of a flat specimen with cross bore. This demonstrates how TMF-lifing design curves can be derived synthetically, based on crack growth estimations.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Center for Engineering Materials, State Materials Testing Institute Darmstadt (MPA) Chair and Institute for Materials Technology (IfW)
16 Department of Mechanical Engineering > Center for Engineering Materials, State Materials Testing Institute Darmstadt (MPA) Chair and Institute for Materials Technology (IfW) > Hochtemperaturwerkstoffe
Date Deposited: 09 Aug 2018 06:30
Last Modified: 09 Aug 2018 06:30
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-76675
Referees: Oechsner, Prof. Dr. Matthias and Maier, Prof. Dr. Hans Jürgen
Refereed: 4 July 2018
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/7667
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