Auswirkungen von Giessfehlern auf nickelbasierte Superlegierungen

Die Lebensdauer bei Ermüdung bezieht sich darauf, wie lange ein Material unter wiederholter Belastung hält, bevor es bricht. Diese Studie untersucht, wie bestimmte Fehler, die während der Herstellung von zwei nickelbasierten Superlegierungen – Inconel 100 (IN100) und René 125 (R125) – entstehen, ihre Ermüdungslebensdauer beeinflussen. Gussfehler wie Poren und Schrumpfungen können beeinflussen, wie sich ein Material unter Stress verhält, weshalb es wichtig ist, ihren Einfluss zu erforschen.

#Was sind nickelbasierte Superlegierungen?

Nickelbasierte Superlegierungen sind spezielle Materialien, die für ihre Festigkeit und ihre Fähigkeit bekannt sind, hohen Temperaturen standzuhalten. Sie werden oft in Flugzeugtriebwerken verwendet, insbesondere für Turbinenschaufeln und -scheiben. Diese Materialien können sich bei Temperaturen über 650°C nicht verformen, aber sie können auch während der Herstellung Fehler entwickeln, die ihre Leistung erheblich beeinflussen können.

#Arten von Defekten

Während des Giessprozesses können Materialien verschiedene Defekte bilden, hauptsächlich spheroide Poren und grössere, komplexere Schrumpfungen.

• Poren: Das sind kleine, runde Hohlräume, die entstehen, wenn Gase im Metall eingeschlossen werden, während es abkühlt. Sie sind normalerweise kleiner und sphärisch.

• Schrumpfungen: Das sind grössere, unregelmässige Hohlräume, die auftreten, weil das Metall beim Abkühlen schrumpft. Ihre Formen können kompliziert sein, was beeinflusst, wie der Stress im Material verteilt ist.

#Defekte und Lebensdauer bei Ermüdung

Das Vorhandensein von Defekten in Materialien führt zu Stresskonzentrationen, also Bereichen, in denen der Stress viel höher ist als in den umgebenden Bereichen. Das kann zur Rissbildung und letztendlich zum Versagen führen. Die Grösse, Form und Lage dieser Defekte sind entscheidend für die Ermüdungsleistung.

Forschungen haben gezeigt, dass mit zunehmender Grösse eines Defekts die Lebensdauer des Materials im Allgemeinen abnimmt. Oberflächenfehler sind besonders schädlich, da sie Umwelteinflüssen ausgesetzt sind.

#Messung von Defekten

Um zu bewerten, wie diese Defekte die Lebensdauer bei Ermüdung beeinflussen, verwendeten die Forscher die Röntgen-Computertomographie (XCT). Diese Technik ermöglicht detaillierte Bilder der inneren Strukturen der Materialien und gibt Einblicke in die Grösse und Form der Defekte.

Durch die Erstellung digitaler Modelle der Materialien, die ihre tatsächlichen Defekte widerspiegeln, können Wissenschaftler Simulationen durchführen, um vorherzusagen, wie sich die Materialien unter Stress verhalten.

#Experimentelle Tests

Bei den Ermüdungstests wurden zyklische Lasten auf die Proben aufgebracht, um ihre Ermüdungsgrenzen zu messen. Die Forscher bereiteten mehrere Proben aus IN100 und R125 vor und unterzogen sie diesen Tests bei unterschiedlichen Temperaturen.

Das Ziel war es, Daten zu sammeln, wie lange diese Materialien Lasten standhalten können, bevor sie versagen, insbesondere in Bezug darauf, wie die Defekte ihre Haltbarkeit beeinflussen.

#Ergebnisse aus den Experimenten

Die Ergebnisse zeigten eine breite Palette von Ermüdungslebensdauern bei den Proben, selbst bei solchen mit ähnlichen Arten von Defekten. Diese Variabilität kann auf Unterschiede in den Defektmerkmalen und deren Anordnung im Material zurückgeführt werden.

Einige Proben mit grossen Clustern von Schrumpfungen versagten viel früher als erwartet, während andere mit weniger Defekten länger hielten. Das deutete darauf hin, dass die Anordnung und Wechselwirkung der Defekte eine bedeutende Rolle beim Ermüdungsversagen spielen.

#Energiemodel basiertes nicht-lokales Modell

Um die Lebensdauer bei Ermüdung besser vorherzusagen, wurde ein originales energie-basiertes nicht-lokales Modell entwickelt. Dieses Modell berücksichtigt den Einfluss der Form und Anordnung von Defekten und konzentriert sich auf die gestressten Bereiche, statt auf die durchschnittlichen Eigenschaften des gesamten Materials.

• Stresskonzentration: Dieses Modell bezieht hochbelastete Volumen um Defekte ein, wo Risse wahrscheinlich entstehen. Es erkennt an, dass kleine Ligamente, die durch komplexe Defektformen entstehen, ebenfalls Stress konzentrieren und zu vorzeitigen Versagen führen können.

#Experimentelle Validierung

Das energie-basierte Modell wurde an experimentellen Ergebnissen validiert. Es sagte die Lebensdauern bei Ermüdung innerhalb eines Faktors von drei genau voraus und zeigte damit seine Wirksamkeit über verschiedene Porositätslevels und Probengeometrien hinweg.

Dieser Erfolg zeigt, dass das Verständnis der komplexen Natur von Defekten eine bessere Vorhersage der Materialleistung ermöglicht.

#Auswirkungen der Forschung

Die Ergebnisse haben wichtige Auswirkungen auf Industrien, die nickelbasierte Superlegierungen verwenden, insbesondere im Luftfahrtsektor. Durch das Erkennen des Einflusses von Gussfehlern auf die Lebensdauer bei Ermüdung können Hersteller die Produktionsmethoden verbessern, um Fehler zu minimieren oder die Leistung bestehender Materialien besser vorherzusagen.

#Fazit

Zusammenfassend betont diese Studie die entscheidende Rolle von Gussfehlern bei der Bestimmung der Lebensdauer bei Ermüdung nickelbasierter Superlegierungen. Fortschrittliche Bildgebungs- und Modellierungstechniken haben neue Einblicke gegeben, wie diese Materialien versagen können, und den Weg für besseres Materialdesign und Tests in Hochtemperaturanwendungen geebnet.

#Zukünftige Forschung

Künftige Bemühungen sollten sich darauf konzentrieren, das energie-basierte Modell zu verfeinern, um seine Vorhersagefähigkeiten zu verbessern. Darüber hinaus werden weitere Studien zu verschiedenen Legierungszusammensetzungen und Herstellungsprozessen unser Verständnis der Ermüdungsleistung in komplexen Materialien weiter vertiefen.

Indem wir unser Wissen in diesem Bereich weiter ausbauen, können wir eine sicherere und effizientere Nutzung von nickelbasierten Superlegierungen in anspruchsvollen Umgebungen gewährleisten und letztendlich zu verbesserten technischen Lösungen in der Luftfahrtindustrie und darüber hinaus beitragen.