Optimierung der numerischen Verformungs- und Schädigungsberechnung zur Lebensdauerbestimmung bei Kriechermüdungsbeanspruchung

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Dampfturbinen, stationäre Gasturbinen und Fluggasturbinen sind aufgrund der komplexen Betriebsbedingungen während der An- und Abfahrvorgänge wie auch dem stationären Betrieb hohen mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt. Diese Beanspruchungen werden vor allem durch Temperaturtransienten, Fliehkräfte, Dampf- bzw. Gaskräfte sowie durch die auftretenden Haltezeiten während des stationären Betriebs hervorgerufen. Der Werkstoff erfährt dabei eine Kriechermüdungsbeanspruchung, wobei an den höchstbeanspruchten Stellen mehrachsige zeit- und temperaturabhängige elastischplastische Wechselverformungen auftreten. Diese Belastungen führen zur Kriech- und Ermüdungsschädigung des Werkstoffs. Die Interaktion der Schädigung wird derzeit noch häufig über lineare Schadensakkumulationsregeln bewertet, wobei über einfache phänomenologische Ansätze die Schadensanteile berechnet werden. In einem für vier Jahre angelegten Forschungsvorhaben sollen verbesserte Berechnungsverfahren zur Lebensdauervorhersage bei Kriechermüdungsbeanspruchung entwickelt werden. Im Antragszeitraum (erstes und zweites Jahr) sollen vornehmlich grundlagenorientierte Forschungsarbeiten durchgeführt werden. Es sind Versuche vorgesehen, die es ermöglichen sollen, die Anteile der Schädigungsmechanismen Ermüdungsrisswachstum und Kriechen an der Gesamtschädigung zu bestimmen. Auf dieser Basis wird dann ein mechanismenbasiertes Lebensdauermodell entwickelt, welches Modelle, die Kriech- bzw. Ermüdungsschädigung beschreiben, kombiniert und die Interaktion von Kriechen und Ermüdung berücksichtigt. Ein fortschrittliches phänomenologisches Modell soll auf Basis der Erkenntnisse aus dem mechanismenbasierten Modell erweitert werden. Im Antragszeitraum ist vorgesehen den Schmiedewerkstoff Inconel 718, der für Scheiben in Gasturbinen verwendet wird, für die Untersuchungen heranzuziehen. Die entwickelten Rechenmodelle sollen anhand bauteilähnlicher Versuche validiert werden. Im Folgevorhaben (drittes und viertes Jahr) werden die im Antragszeitraum geschaffenen Grundlagen zur Modellierung umgesetzt und eine Erweiterung und Anpassung für den Gusswerkstoff MAR M247 entwickelt, der für Schaufeln eingesetzt wird. Mit den im Forschungsvorhaben entwickelten verbesserten Werkstoffmodellen für Kriechermüdung soll es möglich sein, die Lebensdauer von Komponenten des Gasturbinenbaus wesentlich genauer als bisher zu bestimmen und damit Bauteile effektiver auszulegen. Die Werkstoffmodelle stehen am Ende des gesamten Vorhabens für beide Werkstoffe direkt anwendbar zur Verfügung. Die erstellte Datenbasis liefert darüber hinaus weitergehenden Aufschluss über Schädigungsmechanismen bei Kriechermüdungs-Interaktion.