Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWMAdditiv gefertigte Turbinenbauteile aus Nickellegierungen wie IN718 gelten als leicht und effizient. Wie zuverlässig sie im Betrieb tatsächlich sind, untersucht das Projekt HT-Schwellenwert-II. Es überträgt ein bewährtes Konzept zur bruchmechanischen Bewertung des Kurzrissverhaltens auf praxisnahe Bedingungen wie hohe Temperaturen, unterschiedliche Frequenzen, Umgebungsbedingungen und Haltezeiten. Das Projekt liefert dabei abgesicherte Werkstoffdaten, ein weiterentwickeltes Software-Tool zur Bewertung von Materialfehlern (Defekten) und praxisnahe Handlungsempfehlungen, die auch ohne Spezialwissen in Bruchmechanik anwendbar sind.
Fortschrittliche rechnerische Methoden und Prüftechnik zur Bewertung des Schwellenwert- und Ausbreitungsverhaltens von mechanisch kurzen Rissen in verschiedenen Temperatur- und Frequenzbereichen
Laufendes Forschungsprojekt
Projektbeschreibung
Marktbedarf und Herausforderungen
Die additive Fertigung (AM) hält Einzug in sicherheitskritische Hochtemperaturanwendungen wie Gasturbinen und Flugtriebwerke. Bauteile aus Nickellegierungen wie IN718, hergestellt im PBF-LB/M-Verfahren, weisen fertigungsbedingte Mikrodefekte wie Poren und Bindefehler auf. Eine belastbare Bewertung der Betriebsfestigkeit, insbesondere unter hochzyklischer Ermüdung (HCF) bei Hochtemperatur, fehlt bislang. Für KMU aus dem Ingenieurdienstleistungsbereich ist dieser Wissensmangel eine erhebliche Markteintrittshürde.
Lösungsansatz des Projekts
Das Projekt baut auf einem im Vorgängervorhaben entwickelten bruchmechanischen Bewertungskonzept auf, das kurze Risse im Schwellenwertbereich beschreibt. Dieses wird nun systematisch auf weitere praxisrelevante Temperaturen (RT, 550 °C, 650 °C), Prüffrequenzen (40 Hz und 300 Hz) sowie Haltezeiten erweitert. Versuche an Luft und im Vakuum erlauben die getrennte Bewertung innen- und außenliegender Defekte basierend auf der aus den Versuchsdaten abgeleiteten zyklischen R-Kurve. Die Modellierung erfolgt mit dem fortschrittlichen ΔCTOD-Konzept; Ergebnisse fließen in ein erweitertes, benutzerfreundliches Software-Tool ein.
Beitrag zur Bewältigung der Herausforderungen
Das Projekt stellt KMU eine validierte, erweiterte Datenbasis sowie ein anwenderfreundliches Berechnungs-Tool zur Verfügung, das ohne tiefgreifende bruchmechanische Kenntnisse nutzbar ist. Fallbeispiele aus Luftfahrt-, Energie- und Automobilbereich erleichtern die Übertragung auf eigene Aufgabenstellungen. Darüber hinaus werden „Best Practice"-Handlungsempfehlungen mit Richtliniencharakter erarbeitet, die in internationale Normen (DIN, ASTM) einfließen sollen.
Die Arbeitspakete des Fraunhofer IWM:
Das Fraunhofer IWM fertigt alle Proben prüffertig und führt Schwellenwert- und Risswachstumsversuche (bis 40 Hz) an Luft und im Vakuum bei RT, 550 °C und 650 °C durch, inkl. Haltezeit-Versuchen. Zusätzlich werden Validierungsversuche im Dauerfestigkeitsbereich unter Vakuum durchgeführt. Konkretes Ergebnis: ein umfangreicher validierter Versuchsdatensatz für geschmiedetes und additiv gefertigtes IN718.
Das bestehende ΔCTOD-basierte Kurzrissmodell wird auf alle neuen Versuchsbedingungen erweitert. Die Bauteilbewertung wird an industrierelevanten Beispielen demonstriert. Konkretes Ergebnis ist ein erweitertes, lauffähiges Python-Software-Tool mit grafischer Oberfläche sowie eine Handlungsempfehlung mit Richtliniencharakter.
Auf der Grundlage der Projektergebnisse kann das Fraunhofer IWM Industrieunternehmen folgende Forschungs- und Entwicklungsleistungen anbieten:
Bruchmechanische Defektbewertung für AM-Bauteile
Bewertung von Poren und Bindefehlern in additiv gefertigten Hochtemperaturbauteilen hinsichtlich ihrer Wachstumsfähigkeit.
Ermittlung zyklischer R-Kurven bei Hochtemperatur
Effiziente Bestimmung des risslängenabhängigen Schwellenwertverhaltens bei bis zu 650 °C an Luft und im Vakuum, für geschmiedete und additiv gefertigte Werkstoffe.
HCF-Dauerfestigkeitsbewertung mit Software-Tool
Anwendung des validierten Berechnungstools zur Dauerfestigkeitsbewertung komplexer Bauteilgeometrien unter definierten Lastfällen. Das Tool ist auch ohne Spezial-Know-how in der Bruchmechanik nutzbar.
Vergleichende Werkstoffbewertung: AM vs. konventionell
Systematischer Vergleich additiv gefertigter und geschmiedeter Varianten von IN718 hinsichtlich Schwellenwert, Risswachstum und Dauerfestigkeit als Basis für fundierte Make-or-Buy-Entscheidungen.
Hochtemperatur-Rissfortschrittsprüfung unter Vakuum
Charakterisierung des Ermüdungsrissverhaltens unter simulierten Innenbauteilbedingungen (Vakuum). Damit können Umgebungseinflüsse und innenliegende Defekten separat bewertet werden.
Validierung von Bauteilauslegungen mittels FE-gekoppelter Bruchmechanik
Kombination von FE-Spannungsanalysen mit dem Kurzriss-Bewertungsmodell zur Identifikation kritischer Defektgrößen in realen Bauteilgeometrien bspw. für Komponenten aus dem Turbomaschinen-, Automobil- und Anlagenbau.
