Anstreifvorgänge in Turbinen - Experimentelle Untersuchung und Modellierung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Hans-Jörg Bauer; Professor Dr.-Ing. Uwe Glatzel; Professor Dr. Ewald Werner
• Fachliche Zuordnung: Strömungs- und Kolbenmaschinen ; Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 268769401

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

In dem vorliegenden DFG-Projekt wird der Einfluss des Fertigungsprozesses von Honigwabenbelägen auf das Anstreifverhalten untersucht. Physikbasierte Simulationsmodelle werden dabei mithilfe von experimentellen Untersuchungen validiert und ergänzt. Ein mikrostrukturbasiertes thermomechanisches Modell des Anstreifprozesses verdeutlicht, dass neben geometrischen Parametern und Lastparametern auch mikrostrukturelle Eigenschaften wie Korngröße und Kornorientierung die Belastung des Rotors und die Deformation des Stators beeinflussen. Die Geschwindigkeit der Rotorfinne, die Eindringgeschwindigkeit und die Eindringtiefe zeigen einen deutlichen Einfluss auf die Anstreifeigenschaften von Blechen aus Haynes 214. Die Auswirkungen radialer und axialer Einlaufbewegungen auf Anstreifeigenschaften wurden getestet und verglichen. Beim radialen Eindringen werden die Anstreifeigenschaften hauptsächlich von der radialen Kontaktfläche beeinflusst. Beim axialen Eindringen hingegen beeinflusst der Krümmungsradius der Rotorfinne die Reibungseigenschaften merklich. Die Lötverbindung in Honigwabenbelägen wurde in die physikalische Beschreibung integriert und experimentell untersucht. Die thermomechanischen Simulationen zeigen, dass die Lötschicht in doppelwandigen Honigwabenstrukturen durch ihre hohe Härte und wegen den dort vorhanden Sprödphasen einen erheblichen Einfluss auf die mechanische Belastung des Rotors sowie den Verschleiß des Stators hat. Der versprödende Einfluss der Lötschicht konnte experimentell in Zugversuchen bestätigt werden. Durch das Löten von Haynes 214 mit dem Nickelbasis-Lot BNi-5 reduziert sich die Bruchdehnung von 36% auf 18%. Zugversuche bei Dehnraten von bis zu 50 s-1 zeigen, dass Zugfestigkeit und Dehngrenze mit größerer Dehnrate ansteigen. Entlang der Lötverbindung haben sich in gelöteten Blechen im Anstreifversuch Risse gebildet. Dadurch wird der gelötete Blechverbund beim Anstreifen gespalten. Des Weiteren werden Anstreifbeläge aufgrund hoher thermischer Belastungen häufig alitiert. Eine Alitierung vor dem Lötprozess reduziert die Benetzbarkeit des Lotmaterials und führt zu einer reduzierten Kapillarwirkung. Damit verringert das Alitieren vor dem Lötprozess die Menge an Lotmaterial, welches durch Kapillarkräfte bis an die Anstreifkante aufsteigen kann. Negativ kann sich das Alitieren auf die Anstreifeigenschaften auswirken, da die erzeugte Nickelaluminid-Schicht eine erhöhte Härte besitzt und sich harte Chromkarbide in der Diffusionszone bilden. In neuartigen rautenförmigen Anstreifbelägen wird die Anstreiffläche verringert und die Bildung von Doppelwandbereichen mit Lötschicht vermieden. Dadurch konnten in Anstreifversuchen von rautenförmigen Anstreifbelägen geringere mechanische Belastungen als in konventionellen Honigwabeneinlaufbelägen gemessen werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Numerical investigations on the rubbing process in labyrinth seals for full flight mission; Proceedings of the 24th ISABE Conference (2019).
  Munz O., Hühn L., Bleier F., Bauer H.-J.
  
• The Effect of Brazing on Microstructure of Honeycomb Liner Material Hastelloy X. Journal of Materials Engineering and Performance, 28(4), 1909-1913.
  Ulan, kyzy Sonun; Völkl, Rainer; Munz, Oliver; Fischer, Tim & Glatzel, Uwe
  
• Experimental Investigation on the Rubbing Process of Labyrinth Seals Against Honeycomb Liners. Volume 10A: Structures and Dynamics.
  Munz, Oliver; Hühn, Lisa; Schwitzke, Corina; Bauer, Hans-Jörg; Fischer, Tim & Ulan, kyzy Sonun
  
• Thermo-physical properties of Hastelloy X and Haynes 214 close to the melting range. Materials Science and Technology, 36(10), 1012-1019.
  Ulan, kyzy Sonun; Völkl, Rainer; Munz, Oliver; Fischer, Tim; Welzenbach, Sarah & Glatzel, Uwe
  
• Structure-property relationship of a nickel-based honeycomb sealing composite. Computational Materials Science, 190, 110270.
  Fischer, T.; Ulan, kyzy S.; Munz, O. & Werner, E.
  
• Multiscale modeling of the mechanical behavior of brazed Ni-based superalloy sheet metals. Continuum Mechanics and Thermodynamics, 35(1), 211-229.
  Huber, Jakob; Vogler, Jonas & Werner, Ewald
  
• Mechanical and Microstructural Properties of Brazed Honeycomb Liner Material Haynes 214. The Minerals, Metals & Materials Series, 445-452.
  Vogler, Jonas; Song, Jieun; Huber, Jakob; Völkl, Rainer & Glatzel, Uwe
  
• Compositionally Complex Alloy MnFeCoNiCu for Brazing Nickel‐Based Superalloy Haynes 214. Advanced Engineering Materials, 26(14).
  Vogler, Jonas; Schneiderman, Benjamin; Yu, Zhenzhen; Huber, Jakob; Völkl, Rainer & Glatzel, Uwe
  
• High temperature and high strain rate properties of brazed honeycomb liner material Haynes 214. Wear, 550-551, 205427.
  Vogler, Jonas; Völkl, Rainer; Song, Jieun; Viebranz, Vincent Fabian; Huber, Jakob; Bauer, Hans-Jörg; Werner, Ewald & Glatzel, Uwe
  
• Predicting mechanical failure of polycrystalline dual-phase nickel-based alloys by numerical homogenization using a phase field damage model. Continuum Mechanics and Thermodynamics, 36(4), 775-793.
  Huber, Jakob; Vogler, Jonas; Torgersen, Jan & Werner, Ewald