Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWMFür urformende Verfahren wie Gießen und Additive Fertigung fehlen hochfeste Legierungen, die mit Knetlegierungen konkurrieren können. Im Projekt HAlUr wurden neue Aluminiumlegierungen auf Basis der Systeme Al-Co, Al-Ni und Al-Ca, die Festigkeiten von bis zu 500 MPa bei Raumtemperatur und 150 MPa bei 300 °C erreichen, entwickelt. Durch eine innovative Kombination aus atomistischer Simulation, thermodynamischer Modellierung und experimentellem Rapid Alloy Development (RAD) mittels Laserauftragschweißen wurde die Legierungsentwicklung drastisch beschleunigt.
Skalenübergreifende mikrostrukturabhängige Bewertung der interkristallinen Rissbildung bei Hochtemperaturermüdung mit Haltezeiten von polykristallinen Superlegierungen
Abgeschlossenes Forschungsprojekt
Projektbeschreibung
Hochtemperaturkomponenten in Flugtriebwerken, stationären Gasturbinen und zunehmend auch in der additiven Fertigung unterliegen extremen thermomechanischen Belastungen. Die polykristalline Nickelbasis-Superlegierung Alloy 718 ist einer der meistverwendeten Werkstoffe für solche Anwendungen, jedoch begrenzt die sogenannte dynamische Versprödung (Dynamic Embrittlement, DE) – eine zeitabhängige spröde interkristalline Rissbildung durch Sauerstoffdiffusion entlang der Korngrenzen – deren Einsatztemperatur auf ca. 700 °C. Gleichzeitig besteht ein enormer Marktbedarf, Einsatztemperaturen und Lebensdauern zu steigern, um Ressourcen- und Energieeffizienz zu verbessern.
Bisherige Lebensdauermodelle berücksichtigen die Abhängigkeit der dynamischen Versprödung von der individuellen Korngrenzstruktur (Orientierung, Charakter, chemische Zusammensetzung) nicht oder nur unzureichend. Hier setzt das Projekt an: Erstmals wurde ein skalenübergreifender Modellierungsansatz entwickelt, der atomistische Simulationen (DFT und Molekulardynamik) zur Bestimmung der Korngrenz-Kohäsionseigenschaften mit mikrostrukturbasierten Finite-Elemente-Modellen (Kristallplastizität, Kohäsivzonenelemente) und Finite-Differenzen-Berechnungen für die spannungsunterstützte Sauerstoffdiffusion koppelt. Dieser mehrskalige Ansatz ermöglicht es, den Einfluss der Korngrenzcharakteristik – einschließlich Kipp- und Drehwinkel – auf die interkristalline Rissausbreitung quantitativ vorherzusagen.
Das Projekt verbindet experimentelle Validierung (Bikristall-Biegeversuche, Haltezeit-Ermüdungsversuche, 3D-EBSD, APT) mit der numerischen Modellierung und schafft so die Grundlage für eine mikrostrukturbasierte Lebensdauerbewertung, die perspektivisch auch die gezielte Werkstoffoptimierung durch thermomechanische Prozessführung (Grain Boundary Engineering) ermöglicht. Für die Industrie eröffnet sich damit die Möglichkeit, Sicherheitsmargen fundierter festzulegen, Wartungsintervalle zu optimieren und die Materialentwicklung gezielt auf höhere Betriebstemperaturen auszurichten.
Teilvorhaben Fraunhofer IWM:
Das Fraunhofer IWM hat Strukturmodelle für repräsentative Kipp- und Dreh-Korngrenzen in fcc-Nickel aufgebaut und mittels Dichtefunktionaltheorie (DFT) die kohäsiven Eigenschaften bestimmt. Hierzu wurden virtuelle Zugversuche durchgeführt und über die Universal Binding Energy Relation (UBER) Traktions-Separations-Gesetze abgeleitet. Systematisch wurde dabei der Einfluss von Legierungselementen (Fe, Cr, Co u. a.) sowie von Sauerstoff als versprödende Spezies auf die Korngrenzfestigkeit in Abhängigkeit von Struktur und chemischer Zusammensetzung untersucht.
Die DFT-Ergebnisse wurden genutzt, um interatomare Potentiale zu validieren und zu kalibrieren, die anschließend in Molekulardynamik-Simulationen (MD) eingesetzt werden. Die MD-Simulationen erlauben es, über die Einschränkungen der DFT hinauszugehen: Sie ermöglichen die Untersuchung des Bruchverhaltens bei endlicher Temperatur, bei beliebigen Korngrenzorientierungen und für realistische Legierungszusammensetzungen. So werden winkelabhängige Parameter für Zug- und Scherbruch bestimmt und der Einfluss von Temperatur und Sauerstoffgehalt systematisch erfasst.
Auf der Basis der Projektarbeiten kann das Fraunhofer IWM Industrieunternehmen folgende neue FuE-Leistungen anbieten:
- Atomistisch informierte Korngrenz-Bewertung
Quantitative Bestimmung der Kohäsionseigenschaften (Festigkeit, Trennarbeit) von Korngrenzen in Nickelbasis-Superlegierungen und anderen Hochtemperaturwerkstoffen mittels DFT und MD, als Grundlage für fundierte Werkstoffauswahl und -optimierung.
- Bewertung des Versprödungsrisikos durch Sauerstoff und andere Spezies
Simulation des Einflusses von Umgebungsatomen (O, S, H) auf die Grenzflächenfestigkeit in Abhängigkeit von Korngrenztyp und Temperatur.
- Parametrierung von Kohäsivzonenmodellen aus atomistischen Daten
Bereitstellung kalibrierter Traktions-Separations-Gesetze für Korngrenztypen, die direkt in Finite-Elemente-Lebensdauerberechnungen eingesetzt werden können.
- Maßgeschneiderte interatomare Potentiale
Entwicklung und Validierung von Potentialen für Legierungssysteme (z. B. Ni-Cr-Fe-Nb-O), die MD-Simulationen bei realistischen Temperaturen und Zusammensetzungen ermöglichen.
- Beratung zu Grain Boundary Engineering
Auf Basis der gewonnenen Struktur-Eigenschafts-Beziehungen können Empfehlungen zur thermomechanischen Prozessführung gegeben werden, um den Anteil versprödungsresistenter Korngrenzen gezielt zu erhöhen.
Förderhinweis
