Die Wirkung von Mikrostruktur auf das Verhalten von Superlegierungen
Superlegierungen sind Kombinationen von Metallen mit hoher Festigkeit und thermischer Leistung, wodurch sie sich für Strukturen eignen, die mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt sind. Insbesondere Nickel (Ni)-basierte Superlegierungen sind für Turbinenschaufeln und Scheiben im heißesten Teil von Flugzeugmotoren unersetzlich geworden. Darüber hinaus finden sie Anwendungen in Raumfahrzeugen und Kernreaktoren. Das mit EU-Mitteln geförderte Projekt MICROMECH (Microstructure based material mechanical models for superalloys) entwickelte ein Multiskalenrechenmodell für polykristalline Ni-basierte Superlegierungen, die gegossen oder geschmiedet werden. Es beschreibt Verformungs- und Versagensmechanismen sowie mikrostrukturelle Merkmale und Mängel. Insbesondere beinhaltet das MICROMECH-Modell Strukturinformationen von der Ebene von mikrongroßen Einkristallen und Polykristallen bis hin zu polykristallinen Proben und Bauteilen. Es beschreibt die Auswirkungen der Temperatur auf Zugfestigkeit, Ermüdung, Rissausbreitung und Kriechen auf Basis von mikrostrukturellen Eigenschaften wie etwa der Korngröße und Oberflächenbeschaffenheit. Das grundlegende Werkzeug, um die mechanischen Eigenschaften von polykristallinen Proben vorauszusagen, sind Finite-Elemente-Modelle von repräsentativen Volumenelementen ihrer Mikrostruktur. Modelle der Kristallplastizität werden verwendet, um das Verhalten von Mikrosäulen innerhalb von Körnern zu simulieren. Um diese zu entwickeln, stützten sich die Forscher auf Daten aus mikromechanischen Tests an Einkristallen und Bikristallen, die aus polykristallinen Proben gemahlen wurden. Ausgiebige mikromechanische Tests führten zu einem realistischen und genauen Mehrskalenmodell, mit dem sich die mechanischen Eigenschaften von Proben vorhersagen lassen, die bei der Konstruktion von Komponenten verwendet werden. Das entwickelte Modell kann unter allen Testbedingungen die Lebensdauer von In718-Legierungen als eine Funktion von Mikrostruktur, Temperatur und angewandter Belastung vorhersagen. In den Händen von Ingenieuren verspricht das MICROMECH-Modell verbesserte Strukturen aus Ni-basierter Superlegierung, mit zusätzlichen Vorteilen hinsichtlich Kosten, ökologischer Nachhaltigkeit und für die EU-Technologieführerschaft.
Schlüsselbegriffe
Mikrostruktur, Superlegierung, Rechenmodell, MICROMECH, polykristallin
