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Lebensdauerbewertung dickwandiger Bauteile aus Nickelbasislegierungen unter betriebsnahen Beanspruchungen
(2015) Hüggenberg, Daniel; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) soll in Deutschland bis zum Jahr 2050 der Anteil der erneuerbaren Energien an der Stromerzeugung auf 80% gesteigert werden. Deshalb werden konventionelle Kraftwerke weniger zur Deckung der Grundlastversorgung, sondern vielmehr zur Deckung der Mittel- und Spitzenlastversorgung eingesetzt. Dies bedeutet für die Anlagen, dass diese einerseits für kürzere Zeiten stationär betrieben werden und andererseits deutlich häufiger mit hohen Laständerungsgeschwindigkeiten an- und abgefahren werden, um die Erzeugungslücken der erneuerbaren Energien zu decken. Dies führt dazu, dass die Komponenten verstärkt einer überlagerten Beanspruchung aus Kriechen und Ermüdung ausgesetzt sind, welche einen Lebensdauer verkürzenden Einfluss hat. Das Ziel dieser Arbeit ist es, ein Konzept zur Lebensdauerbewertung von kriechermüdungsbeanspruchten dickwandigen Komponenten aus den Nickelbasislegierungen Alloy 617 mod. und Alloy 263 auf der Basis numerischer phänomenologischer Ansätze sowie Ansätzen gängiger Regelwerke/Empfehlungen zu entwickeln und zu verifizieren. Explizit liegt der Fokus auf zwei Komponenten der Hochtemperatur-Werkstoff-Teststrecke II (HWT II), einem Sammler aus Alloy 617 mod. und Alloy 263 sowie einem Halbkugelformstück aus Alloy 617 mod.. Zur Grundcharakterisierung der in HWT II verwendeten Schmelzen der Nickelbasislegierungen sind bei Prüftemperaturen im Bereich von 20°C bis 725°C einachsige Zugversuche, (Kriech-)ermüdungsversuche, Zeitstandversuche sowie Kerbschlagbiegeversuche durchgeführt worden. Der Vergleich der Versuchsergebnisse mit den Vorgaben der Werkstoffdatenblätter und den Ergebnissen der Forschungsvorhaben COORETEC DE4, MARCKO DE2 und MARCKO700 zeigte für beide Nickelbasislegierungen mit Ausnahme der Zeitstandversuchsergebnisse des Alloy 617 mod. keine Auffälligkeiten. Bei den Ergebnissen der Zeitstandversuche an der HWT II-Schmelze des Alloy 617 mod. konnten Abweichungen hinsichtlich des Verformungs- und Schädigungsverhalten identifiziert werden. Neben den Versuchen zur Grundcharakterisierung wurden komplexe Laborversuche zur Charakterisierung des Werkstoffverhaltens bei überlagerter Kriechermüdungsbeanspruchung sowie multiaxialen Spannungszuständen durchgeführt. Des Weiteren wurden zur Charakterisierung der Entwicklung der Mikrostruktur, des Ausscheidungsverhaltens sowie der Versetzungsstruktur für beide Nickelbasislegierungen am Material im Ausgangszustand und im kriech- bzw. kriechermüdungsbeanspruchten Zustand metallographische Untersuchungen im Lichtmikroskop und Transmissionselektronenmikroskop durchgeführt. Die Ergebnisse wurden zur Einordnung mit den Ergebnissen aus anderen Forschungsvorhaben verglichen und es konnten keine Abweichungen festgestellt werden. Um mit Hilfe von Finite-Elemente Simulationen das Verformungs- und Schädigungsverhalten bei Kriechermüdungsbeanspruchungen beschreiben zu können, wurde ein viskoplastisches Verformungsmodell mit integrierter Schädigungsformulierung nach Lemaitre verwendet. Die werkstoffabhängigen Modellparameter wurden anhand der Ergebnisse der Grundcharakterisierungsversuche für beide Nickelbasislegierungen angepasst. Zur Einordnung der Anpassungen wurden sämtliche Zeitstand und Ermüdungsversuche in FE-Simulationen nachgerechnet. Weiterhin erfolgte die Verifizierung der Modellanpassungen durch Nachrechnungen der komplexen Laborversuche. Aus den Vergleichen der Ergebnisse der Versuche und Simulationen ist zu identifizieren, dass sowohl das Verformungs- als auch das Schädigungsverhalten in guter Weise durch das viskoplastische Materialmodell mit den ermittelten Parametern beschrieben werden kann. Anhand von Nachrechnungen komplexer dickwandiger Bauteile (Sammler, Halbkugelformstück) unter realitätsnahen thermischen und mechanischen Belastungsbedingungen konnte gezeigt werden, dass das im Rahmen dieser Arbeit an den Werkstoffen Alloy 617 mod. bzw. Alloy 263 angepasste Verformungs- und Lemaitre-Schädigungsmodell geeignet ist, um die anrissgefährdeten Stellen und die Lebensdauer bis zum Anriss vorherzusagen. Dies konnte anhand von Farbeindringprüfungen sowie Auswertungen der Bruchflächen des untersuchten Sammlers belegt werden. Für die Lebensdauerwertungen wurden darüber hinaus noch die Bewertungsansätze nach der europäischen DIN EN 12952-3/4, der amerikanischen ASME Section III Division 1 Subsection NH, der französischen RCC-MR RB 3262.12 und der britischen R5 Empfehlungen Volume 2/3 angewendet. Dabei zeigte sich, dass die Ansätze nach ASME und RCC-MR aufgrund sehr konservativer Vorhersagen und die Ansätze nach R5 und DIN EN 12952 aufgrund nicht konservativer Vorhersagen für die Nickelbasislegierungen Alloy 617 mod. und Alloy 263 nicht geeignet sind.