Ermittlung und quantitative Beschreibung des Schwellenwertverhaltens von IN718 unter Hochtemperaturbedingungen

Zur Bewertung der Kritikalität von Anfangsdefekten in rotierenden Komponenten von Turbomaschinen, die hochzyklischen Ermüdungsbeanspruchungen ausgesetzt sind, wird auf zyklische Risswiderstandskurven (R-Kurven), die das Schwellenwertverhalten gegen Rissausbreitung physikalisch kurzer Ermüdungsrisse beschreiben, zurückgegriffen. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Versuchstechnik zur experimentellen Ermittlung von zyklischen R-Kurven bei Raumtemperatur auf Hochtemperaturbedingungen übertragen. Mithilfe von soft- und hardwareseitigen Optimierungen eines bestehenden Prüfstands zur Durchführung von Rissfortschrittsversuchen kann das Schwellenwertverhalten von Nickelbasislegierungen am Beispiel von drei unterschiedlich (zwei herkömmlich gefertigte - geschmiedet und gegossen und eine additiv gefertigte - im PBF-LB/M Prozesse hergestellte) gefertigten Materialvarianten von IN718 unter Hochtemperaturbedingungen bei den drei Lastverhältnissen −1, 0 und 0,5 ermittelt werden. Insbesondere die fehlende optische Zugänglichkeit der untersuchten Proben sowie die für hochfeste Materialien typischen sehr kurzen Rissverlängerungen stellen die größten Herausforderungen beim Erreichen dieses Ziels dar. Basierend auf den experimentell ermittelten zyklischen R-Kurven werden Methoden entwickelt, mit denen die Anteile aktiver Rissschließmechanismen, die das Schwellenwertverhalten maßgeblich beeinflussen, quantifiziert werden können. Der Einfluss von plastischen Verformungen um die Rissspitze und entlang der Rissflanken wird über eine Finite Elemente basierte Rissfortschrittssimulation quantifiziert, wobei der Beanspruchungsverlauf aus den experimentell ermittelten zyklischen R-Kurven gewonnen und für diese Simulation risslängenabhängig vorgegeben wird. Auf diese Weise werden plastizitätsinduzierte Rissschließanteile für IN718 bei 650 °C für die drei untersuchten Lastverhältnisse −1, 0 und 0,5 quantifiziert. Detaillierte Untersuchungen dieser Rissschließanteile zeigen, dass eine Betrachtung auf Basis der Maximalbeanspruchung bei unterschiedlichen Lastverhältnissen zur Bewertung des Anteils an plastitzitätsinduziertem Rissschließen, wie sie in analytischen Ansätzen angewendet wird, alleine nicht ausreicht. Vielmehr muss die Beanspruchungsschwingbreite in die Ergebnisinterpretation miteinbezogen werden. Der Einfluss von sich ausbildenden Oxidschichten oder von akkumulierenden Oxidpartikeln auf das Rissausbreitungsverhalten wird über den Vergleich zwischen zyklischen R-Kurven, die an Luft ermittelt werden, mit solchen, die im Vakuum ermittelt werden, quantifiziert. Die sehr ähnliche chemische Zusammensetzung der drei untersuchten Materialvarianten von IN718 sorgt für vergleichbare Anteile von oxidinduziertem Rissschließen zwischen den Materialzuständen. Sie fallen dabei für alle drei untersuchten Lastverhältnisse sehr gering verglichen mit dem Gesamtrissschließanteilen aus, da dieses Material bei der Versuchstemperatur von 650 °C eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit aufweist. Gestützt werden diese Untersuchung durch die Auswertung von isothermen Auslagerungsversuchen bei 650 °C, die das sehr ähnliche Oxidationsverhalten und die geringe Oxidationsneigung der Materialvarianten nochmal verdeutlichen. Über die Berücksichtigung der plastizitätsinduzierten und oxidinduzierten Rissschließanteile in den Gesamtrissschließanteilen werden rauheitsinduzierte Rissschließanteile für die drei Materialvarianten unter den Versuchsbedingungen ermittelt. Die Verzahnung von Rissflanken, die zu rauheitsinduziertem Rissschließen führt, wird mithilfe von fraktographischen Untersuchungen der Bruchflächen an Proben aus Schwellenwertversuchen interpretiert. Die Übertragung der experimentellen Versuchstechnik zur Ermittlung zyklischer R-Kurven von Raumtemperaturauf Hochtemperaturbedingungen und die Entwicklung einer Vorgehensweise zur Quantifizierung aktiver Rissschließmechanismen im Kurzrissbereich ermöglichen eine Vertiefung des Verständnisses des Ausbreitungsverhaltens physikalisch kurzer Risse in Nickelbasiswerkstoffen. Auf diese Weise wird ein wichtiger Beitrag zur bruchmechanischen Bewertung der Kritikalität von Anfangsdefekten bezogen auf die Lebensdauer in Bauteilen unter hochzyklischer Ermüdungsbeanspruchung geleistet.

Cyclic crack resistance curves (R-curves), which describe the threshold behaviour against crack propagation of physically short fatigue cracks, are used to assess the criticality of initial defects in rotating components of turbomachines exposed to high cycle fatigue loading. Within the present work, an experimental procedure for the determination of cyclic R-curves at room temperature is adapted to high temperature conditions. Based on software and hardware optimisations of an existing test rig for fatigue crack growth tests, the threshold behaviour of nickel based alloys is determined. Three differently manufactured (two conventionally manufactured - wrought and cast and one additively manufactured - produced with the powder bed fusion of metals using a laser beam process) material states of IN718 under high temperature conditions at the three load ratios −1, 0 and 0,5 are examined. Especially the lack of optical accessibility of the analysed specimens and the very short crack extensions typical for high strength materials represent the greatest challenges in achieving this goal. Based on the experimentally determined cyclic R-curves, methods are developed to quantify the amount of active crack closure mechanisms influencing the threshold behaviour. The influence of plastic deformation around the crack tip and the formation of a plastic wake along the crack flanks is quantified using a finite element based crack propagation simulation. The load profile is obtained from the experimentally determined cyclic R-curves and predefined depending on the crack length for each simulation individually. As a result of these simulations, the amount of plasticity induced crack closure of IN718 at 650 °C is quantified for the three load ratios −1, 0 and 0,5. Detailed studies of the quantified amounts of plasticity induced crack closure reveal that an estimation of the amount of plasticity induced crack closure based on the assessment of the maximum load, as used in analytical models, is not sufficient. Furthermore, the load range has to be taken into account for this evaluation. The influence of oxide layers or accumulating oxide particles on the fatigue crack growth behaviour is quantified by comparing cyclic R-curves determined in air with those determined under vacuum conditions. Due to a very similar chemical composition of the examined material states comparable amounts of oxide induced crack closure for the three material states are ensured. These amounts are very small compared to the total amount of crack closure because of the high corrosion resistance of IN718 at 650 °C. Results from isothermal ageing tests at 650 °C underline the very similar oxidation behaviour of the material states and the low tendency to oxidise from IN718 at 650 °C. Considering the amount of plasticity induced and the oxide induced crack closure on the total amount of crack closure, the amounts of roughness induced crack closure are determined for the three material states under the examined test conditions. The interlocking of crack flanks, which leads to roughness induced crack closure, is interpreted with the aid of fractographic investigations of the fracture surfaces of threshold test specimens. The transfer of the experimental procedure for the determination of cyclic R-curves from room temperature to high temperature conditions and the development of a procedure for the quantification of active crack closure mechanisms in the short crack regime enable a deeper understanding of the propagation behavior of physically short fatigue cracks in nickel based alloys. This helps to improve fracture mechanics approaches to assess the criticality of initial defects considering the lifetime of components under high cycle fatigue loading.