Skalenübergreifende mikrostrukturabhängige Bewertung der interkristallinen Rissbildung bei Hochtemperaturermüdung mit Haltezeiten von polykristallinen Superlegierungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Ulrich Krupp; Professor Dr.-Ing. Thomas Seifert; Dr. Daniel Urban
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Computergestütztes Werkstoffdesign und Simulation von Werkstoffverhalten von atomistischer bis mikroskopischer Skala
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 526257118

Der zuverlässige Betrieb von Flugzeugtriebwerken und stationären Gasturbinen, die heute unter stark variierenden Betriebsbedingungen eingesetzt werden, erfordert Werkstoffe, die eine hohe Ermüdungs- und Kriechfestigkeit mit einer ausgezeichneten Korrosionsbeständigkeit verbinden. Daher wurden die Bulk-Eigenschaften bestehender polykristalliner geschmiedeter Nickelbasis-Superlegierungen dahingehend optimiert. Bei steigenden Belastungen können jedoch die Korngrenzen die Schwachstellen bilden. Der maßgebliche Versagensmechanismus wird als "dynamische Versprödung (dynamic embrittlement, DE)" bezeichnet, wobei die Grenzflächenkohäsion durch spannungsunterstützte Diffusion eines versprödenden Elements in die Korngrenze verringert wird. DE von polykristallinen Superlegierungen hängt stark von der Mikrostruktur des Werkstoffs ab, insbesondere vom Korngrenztyp, der die Diffusionsraten und damit die lokale Konzentration des versprödenden Elements in der Korngrenze bestimmt. Allerdings sind die Zusammenhänge von Mikrostruktur und DE bis heute nicht gut verstanden und grundlegende mikrostrukturabhängige Modellierungsansätze zur Bewertung dieser Zusammenhänge existieren nicht. Daher ist es das Ziel des vorgeschlagenen Forschungsprojekts einen mikrostrukturabhängigen Modellierungsansatz für diffusionskontrolliertes interkristallines Ermüdungsrisswachstum bei erhöhter Temperatur aufgrund von DE zu entwickeln. Der vorgeschlagene Modellierungsansatz kombiniert mikrostrukturbasierte Finite-Elemente-Modelle mit einer Finite-Differenzen-Methode zur Lösung der spannungsunterstützten Grenzflächendiffusion und ab-initio-Berechnungen in Bezug auf die Eigenschaften der Korngrenzen. Die mikrostrukturbasierten Modelle berücksichtigen das Ermüdungsrisswachstum und beinhalten statistische Informationen zur polykristallinen Mikrostruktur und zu Korngrenztypen. Die Eigenschaften der Einkristalle werden durch Einkristallplastizität beschrieben, während die Eigenschaften der Korngrenzen mit „traction-separation“-Beziehungen über Kohäsivzonenelementen modelliert werden. Die mikrostrukturbasierten Modelle werden mit der Finite-Differenzen-Methode zur Berechnung der spannungsunterstützten Grenzflächendiffusion gekoppelt, so dass die Konzentration des versprödenden Elements in der Korngrenze vor der Rissfront in Abhängigkeit der Höhe der angelegten Spannungen sowie einer Haltezeit bekannt ist. Struktur-Eigenschaftsbeziehungen bezüglich Diffusions- und „traction-separation“-Verhalten werden aus den ab-initio-Berechnungen in Abhängigkeit von Korngrenztyp und Konzentration des versprödenden Elements ermittelt. Entsprechend dem Mehrskalenmodellierungsansatz erfolgt eine skalenübergreifende Gefügecharakterisierung über Röntgencomputertomographie, Elektronenmikroskopie und Atomsondentomographie. Darüber hinaus wird die DE Rissausbreitung in-situ beobachtet, so dass Werkstoffkennwerte bestimmt und der Modellierungsansatz validiert werden kann. Es wird die Legierung 718 betrachtet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Kanada, Schweden
• Kooperationspartner: Professor Dr. Magnus Colliander; Professor Dr. Dongyang Li