Vorhersage von Ermüdungsschäden in Einkristall-Superlegierungen
Die Verdichterschaufeln von Gasturbinen sind im Betrieb extrem hohen Temperaturen und mechanischen Belastungen ausgesetzt. Die Komplexität und die engen Wechselwirkungen zwischen diesen Schädigungsmechanismen machen ihre Erforschung zu einer schwierigen Aufgabe. So können beispielsweise die beim Hoch- und Herunterfahren sowie bei Lastwechseln auftretenden Beanspruchungen zu einer Kombination von Kriech- und Ermüdungsschäden führen - und damit zu höchst unerwünschten Brucheffekten. Einen erhöhten Schutz gegen solche Defekte ermöglicht die Anwendung moderner Werkstoffe, Beschichtungen und Kühlverfahren und/oder der kombinierte Einsatz dieser Maßnahmen. Gegenwärtig übliche Industriepraxis bei modernen Gasturbinen ist die Verwendung von Einkristall-Superlegierungen auf Nickelbasis als Werkstoff für die Turbinenschaufeln. Der Hauptgrund hierfür ist die Möglichkeit zur Erhöhung der Turbinen-Einlasstemperatur und damit zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs der Turbinen. Diese mit Wärmedämmschichten versehenen modernen Materialien können den thermodynamischen Wirkungsgrad der Schaufeln beträchtlich erhöhen. Dennoch scheinen Brüche unvermeidbar zu sein, da es auch zu verschiedenen unerwünschten Nebeneffekten wie z.B. Schäden am Trägermaterial, Oxidation und nachlassender Wirksamkeit der Wärmedämmschichten kommt. Auf der Suche nach geeigneten Abhilfemöglichkeiten wurden in diesem Projekt die Schädigungsmechanismen analysiert, die bei unbeschichteten und beschichteten monokristallinen Superlegierungen auf Nickelbasis auftreten. Die Studien, die sich besonders auf die mikroskopische Struktur dieser Werkstoffe konzentrierten, führten zu einem Modell, mit dem sich sowohl Ermüdungsphänomene als auch Phänomene aufgrund der nachlassenden TBC-Wirkung simulieren lassen. Die dabei gefundenen mikro-, meso- und makromechanischen Modelle wurden für die Entwicklung von Tools eingesetzt, die Prognosen über die zu erwartende Lebensdauer von realen Turbinenschaufeln liefern. Im Einzelnen basieren die Modelle auf der mikroskopischen Struktur der Ablagerungen, den Gussfehlern und den TBC-Schutzeigenschaften. Auf der Grundlage der Strukturanalyse wurde außerdem eine Validierung mehrerer Tools zur Nutzungsdauerabschätzung durchgeführt. Die Nutzungsdauer-Vorhersage, die mit den entwickelten Abschätzungs-Tools möglich ist, dürfte sowohl den Herstellern als auch den Betreibern vpn Gasturbinen große Vorteile bringen: Sie kann zum Design optimaler Turbinenschaufeln beitragen, die sich durch höhere Haltbarkeit und Zuverlässigkeit auszeichnen, und die exakte Aufstellung von Wartungs- und Reparaturplänen ermöglichen. Das Ergebnis: Minimierung von Standzeiten und Maximierung der Turbinenleistung.
