Einfluss der Mikrostruktur auf das Rissverhalten grobkörniger Nickelgusslegierungen unter Berücksichtigung der Anisotropie

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.

Cast Ni-based superalloys are used in hot gas turbines, for example in turbine blades, and are exposed to high thermomechanical stresses. A coarse-grained structure is found particularly in the blade root of such components. Due to the orientation-dependent anisotropy of the microstructure, the assumption of isotropic material behavior can be questioned and makes it necessary to use large safety factors in the design. In crack propagation investigations, the phenomenon of secondary crack initiation in coarse-grained nickel cast alloys has occurred under creep loading. This cracking behavior cannot be adequately described using existing evaluation methods and so far, there is no clear explanation for the occurrence of these cracks. In this research work, the influence of anisotropy on the local deformation behavior under creep loading is analyzed both experimentally and using simulation-based methods. Based on this, an evaluation concept is developed which is able to identify possible crack initiation locations in a microstructure using different parameters. In particular, it is investigated whether a critical grain orientation combination exists that favors crack initiation due to the stress concentration caused by the anisotropy. This requires the orientation-dependent material behavior for each grain. The chosen approach is based on the transfer of the single-crystalline behavior to a coarse-grained polycrystal. The alloy IN713 is selected to determine the anisotropic mechanical behavior, as this material can be cast as a single-crystal and polycrystal. On the one hand, criteria based exclusively on grain orientation, such as Schmid factor and grain rotation, are used for the evaluation concept. On the other hand, the entire grain structure is evaluated using a microstructure-based FE model. A crack is introduced by loosening a node and the potential crack initiation location is evaluated by fracture mechanics calculating the energy difference to a crack-free model. Creep tests are then carried out on flat specimens at 850 °C with accompanying optical strain field measurement in order to validate the transfer of the single-crystalline material behavior to the polycrystal. The evaluation concept is applied to these flat specimens and the experimentally observed crack initiation location is correlated with the developed parameters. A combination of the "potential primary creep factor" and the evaluation of the energy difference from the microstructure-based FE model is identified as promising for the prediction of the crack initiation location. Furthermore, a grain orientation of [011] was found to be critical under creep loading and a correlation to the occurrence of grain rotation was found. These results represent an important step towards a better understanding and description of the cracking behavior in coarse-grained nickel casting alloys.