Charakterisierung des Kriechverhaltens einer Nickelbasis-Superlegierung unter nicht-isothermen Bedingungen und Modifikation der Kriechlebensdauer mittels Stromimpulsbehandlung

• Antragsteller: Dr. Gregory Gerstein; Professor Dr.-Ing. Hans Jürgen Maier
• Fachliche Zuordnung: Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 449967666

E soll das Zeitstandverhalten einer Nickelbasis-Superlegierung (CMSX-4) bei nicht-isothermen Kriechbedingungen sowie eine Vor- bzw. Zwischenbehandlung mittels einer Stromimpulsbehandlung zur Erhöhung der Kriechlebensdauer untersucht werden. Vorarbeiten zeigten, dass Kriechversuche an einer einkristallinen Nickelbasis-Superlegierung bei einer zyklisch wechselnden Temperatur eine höhere Kriechrate aufzeigen als isotherm durchgeführte Versuche bei gleicher mechanischer Last. Die Kriechschädigung im nicht-isothermen Versuch lässt sich dabei nicht durch eine lineare Schadensakkumulation durch Aufsummieren der Kriechdehnungen über die Zeit aus isothermen Zeitstandversuchen korrekt vorhersagen. Ziel dieses Forschungsprojekts ist es daher, das nicht-isotherme Zeitstandverhalten an einkristallinem CMSX-4 zu beschreiben. In Experimenten sollen durch eine konduktive Erwärmung und eine aktive Kühlung der Proben auch hochzyklische Temperaturwechsel ermöglicht werden, um den Einfluss der Temperaturwechselfrequenz und der gewählten Maximaltemperatur zu untersuchen. Durch gezielte Rasterelektronen- und Transmissionselektronenmikroskopie sowie Röntgentomographie sollen die mikrostrukturellen Mechanismen, die zur Erhöhung der Kriechrate bei zyklisch thermischer Belastung führen, analysiert werden. Diese Erkenntnisse sollen genutzt werden, um die Kriechlebensdauer anhand eines physikalischen Modells des nicht-isothermen Kriechens unter Berücksichtigung der ermittelten mikrostrukturellen Schädigungsmechanismen zu beschreiben.Darüber hinaus wird untersucht, wie durch eine Stromimpulsbehandlung mit einer Stromdichte von bis zu 10 kA/mm2 die Kriechbeständigkeit des Werkstoffes positiv beeinflusst bzw. in welchem Maß die Festigkeit bereits kriechgeschädigter Proben erhöht werden kann. In Vorarbeiten konnte bereits gezeigt werden, dass die lokale chemische Zusammensetzung durch eine Stromimpulsbehandlung beeinflusst werden kann. Dieser Effekt soll zur Vorbehandlung genutzt werden, um die Degradation der festigkeitssteigernden gamma'-Ausscheidungen zu hemmen, indem die gamma′-stabilisierenden Elemente an den Phasengrenzflächen konzentriert werden. Des Weiteren soll durch eine Impulsbehandlung an bereits kriechgeschädigten Zuständen eine gezielte Verfestigung durch die Beeinflussung der Versetzungsnetzwerke in der gamma-Matrix des Materials erreicht werden. Hierzu sollen die mikrostrukturellen Mechanismen in Abhängigkeit der Stellgrößen Stromdichte und Richtung der Stromeinleitung gezielt untersucht werden.Das Forschungsvorhaben wird im Rahmen des Forschungsverbunds Dynamik der Energiewandlung (DEW) bearbeitet, für den am Standort Garbsen im September 2019 ein neuer Forschungsbau eröffnet wurde. Hier erarbeiten Wissenschaftler/-innen verschiedener Disziplinen gemeinsam neue Grundlagen für Energiewandlungsprozesse, Verbrennung, Wärmeübertragung, angewandte Strömungsmechanik sowie elektromagnetische Energiewandlung unter Berücksichtigung der zyklisch thermomechanischen Belastungen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen