13 Zentrale Universitätseinrichtungen

Übergeordnete Ziele für fossil befeuerte Kraftwerke der neuesten Generation liegen in der Steigerung des thermischen Wirkungsgrades sowie in der Reduzierung des Ausstoßes von Treibhausgasen. Der Ansatz, dies unter anderem über eine Erhöhung der Dampfparameter Druck und Temperatur zu erreichen, erfordert eine gezielte, an die Betriebsbedingungen angepasste Werkstoffauswahl. Die zumindest mittelfristig angestrebten Dampfparameter von 350 bar und 720 °C überschreiten die Einsatzgrenze bisher verwendeter konventioneller Kraftwerksstähle teilweise deutlich. Daher stehen Nickelbasislegierungen als Werkstoffe für Kraftwerke der neuesten Generation im Fokus zahlreicher Forschungsarbeiten. Aufgrund technischer und wirtschaftlicher Überlegungen soll der Einsatz dieser Superlegierungen auf die mechanisch und thermisch höchstbeanspruchten Bereiche beschränkt werden. Dies betrifft auch die Turbinenwelle, die wegen ihrer großen Abmessung nicht vollständig aus Nickelbasis-Werkstoffen hergestellt werden soll. Ein vielversprechender Ansatz ist deshalb der Einsatz geschweißter Rotoren aus konventionellen martensitischen Turbinenwerkstoffen und Nickelbasislegierungen. Aus der Kombination zweier Werkstoffe mit stark unterschiedlichen mechanischen, thermischen und physikalischen Eigenschaften ergibt sich die Notwendigkeit einer umfangreichen Grundcharakterisierung solcher Mischschweißverbindungen. Auch die temperaturinduzierte Beeinflussung der mechanischen Eigenschaften der Grundwerkstoffe in nahtnahen Bereichen wirkt sich auf das Schweißnahtverhalten bei hohen Temperaturen aus. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit erfolgt die Grundcharakterisierung von vier nicht artgleichen Schweißverbindungen. Die Grundwerkstoffe sind jeweils ein 10 % Chromstahl und eine Nickelbasislegierung, als Schweißzusatzwerkstoff wird ein Nickelbasis-Schweißgut verwendet. Zum Vergleich werden die Ergebnisse früherer Untersuchungen an einer Referenzschweißverbindung herangezogen, deren Schweißnahtaufbau den vier untersuchten Verbindungen sehr ähnlich ist. Zugversuche bei unterschiedlichen Temperaturen ermöglichen erste Rückschlüsse auf versagensrelevante Bereiche. Bei Temperaturen, die der vorgesehenen Einsatz-temperatur der Schweißnaht am nächsten sind, ist das Versagen häufig im 10 % Chromstahl oder im Übergangsbereich von Schweißgut zum 10 % Chromstahl zu beobachten. Unter Zeitstandbeanspruchung versagt ein Teil der untersuchten Schweißverbindungen auf der Seite des 10 % Chromstahls. Der dabei auftretende spannungs- und temperaturabhängige Bruchlagenwechsel vom Grundwerkstoff in die Wärmeeinflusszone ist auch für artgleiche Schweißverbindungsproben zu beobachten. Ein anderer Teil der untersuchten Verbindungen hingegen versagt durch einen verformungsarmen Zeitstandbruch in der Fusionslinie zwischen Schweißgut und 10 % Chromstahl. Dies korreliert mit Schadensbeschreibungen von sogenannten Schwarz-Weiß-Verbindungen, die nach langen Betriebszeiten durch einen verformungslosen Bruch in der Fusionslinie versagen. Zur weiteren Untersuchung der Versagensmechanismen beim Fusionslinienbruch werden mehrere Proben einer vom Fusionslinienbruch betroffenen Verbindung ausgiebig analysiert. Eine Verbindung wird auch unter zyklischer Beanspruchung geprüft und die Ergebnisse denen der Referenzschweißverbindung gegenübergestellt. Im Low Cycle Fatigue Bereich beeinflusst neben der Temperatur auch die Dehnungsamplitude die Anrissposition. Die Bruchlage unter hochzyklischer Beanspruchung hängt überwiegend von der Prüftemperatur ab. In der numerischen Simulation der Zeitstandversuche werden nach einer Materialparameterbestimmung neben der Modellierung der Wärmeeinflusszone auch die Eigenschaften des Schweißguts variiert und der Einfluss auf die Simulationsergebnisse dargestellt. Über die Korrelation zwischen Kriechschädigung und dem Spannungszustand wird die Entstehung des Bruchs auf Basis der Erkenntnisse aus den numerischen Simulationen beschrieben und mit den Bruchbildern aus den Experimenten verglichen. Zur numerischen Simulation des Low Cycle Fatigue Verhaltens wird ein Werkstoffmodell eingesetzt, das sowohl kinematische als auch isotrope Ver- und Entfestigungsvorgänge einzelner Werkstoffzonen der Schweißnahtprobe berücksichtigt. Für hohe Dehnungsamplituden können neben den Minimal- und Maximalspannungsverläufen über der Lastzyklenzahl auch die Spannungs-Dehnungs-Hysteresen gut abgebildet werden. Eine Auswertung der akkumulierten plastischen Dehnung erlaubt einen Rückschluss auf den zu erwartenden Versagensort. Die vorliegende Arbeit erweitert und vertieft die Versuchsdatenbasis zu artfremden Schweißverbindungen. Umfangreiche Untersuchungen ermöglichen eine genauere Beschreibung der Schädigungsmechanismen beim Fusionslinienbruch. Der Einsatz geeigneter Materialmodelle ermöglicht eine Korrelation von Versuchsergebnissen und numerischer Berechnung.

This study researches and discusses the impact of different manufacturing-induced effects of additive manufacturing (AM), such as anisotropy on sound propagation and attenuation, on the production of test specimens for ultrasonic testing (UT). It was shown that a linear, alternating hatching pattern led to strong anisotropy in sound velocity and attenuation, with a deviation in sound velocity and gain of over 840 m/s and 9 dB, depending on the measuring direction. Furthermore, it was demonstrated that the build direction exhibits distinct acoustic properties. The influence of surface roughness on both the reflector and coupling surfaces was analyzed. It was demonstrated that post-processing of the reflector surface is not necessary, as varying roughness levels did not significantly change the signal amplitude. However, for high frequencies, pre-treatment of the coupling surface can improve sound transmission up to 6 dB at 20 MHz. Finally, the reflection properties of flat bottom holes (FBH) in reference blocks produced by AM and electrical discharge machining (EDM) were compared. The equivalent reflector size (ERS) of the FBH, which refers to the size of an idealized defect with the same ultrasonic reflection behavior as the measured defect, was determined using the distance gain size (DGS) method-a method that uses the relationship between reflector size, scanning depth, and echo amplitude to evaluate defects. The findings suggest that printed FBHs achieve an improved match between the ERS and the actual manufactured reflector size with a deviation of less than 13%, thereby demonstrating the potential for producing standardized test blocks through additive manufacturing.

13 Zentrale Universitätseinrichtungen

Browse

Filters

Settings

Sort By

Results per page

Search Results