Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM
Radialverdichterräder, wie sie in Abgasturboladern von Kolbenmotoren verwendet werden, unterliegen hohen Anforderungen an ihre Betriebsfestigkeit. Die Aluminiumlegierung EN AW-2618A ist das dominierende Material für diese Bauteile aufgrund ihrer guten Kriech- und Ermüdungsfestigkeit. Alterungsbedingt kommt es jedoch beim Hochtemperatureinsatz zu einer Änderung der Mikrostruktur, die mit einem Festigkeitsverlust und damit einer reduzierten Lebensdauer verbunden ist. Diese Alterung muss bei der Lebensdauerbewertung berücksichtigt werden, um eine verlässliche Vorhersage der Betriebssicherheit zu gewährleisten. Bei der Alterung ändert sich die metastabile stäbchenförmige Mikrostruktur vom Typ Al2CuMg, die durch Wärmebehandlung optimiert wurde. Im Betrieb wachsen die größeren Stäbchen auf Kosten der kleineren, was als Werkstoffalterung bezeichnet wird und die Festigkeit vermindert.
Für die genaue Quantifizierung dieser Degradation und deren Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften kommt ein angepasstes Materialmodell in der Finite Elemente Methode (FEM) zum Einsatz. Dabei wird ein Chaboche-Modell um innere Variablen für den Stäbchenradius und die akkumulierte viskoplastische Dehnung erweitert. Diese Parameter beschreiben die werkstoffliche Alterung und zyklische Entfestigung und werden im Modell interpoliert, um das Spannungs-Dehnungs-Verhalten zeitabhängig zu erfassen. Ein Cycle-Jump-Ansatz ermöglicht die Extrapolation dieser inneren Variablen und sorgt so für eine realistische Simulation der Langzeitalterung im Lebensdauerzeitraum.