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Item Open Access Strukturmechanische Auslegungskonzepte für Großkomponenten einer 700°C Dampfturbine(2012) Lückemeyer, Nils; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)Zur weiteren Wirkungsgradsteigerung von Kohlekraftwerken auf 50% ist eine Anhebung der Frischdampfparameter auf 700°C und 350bar notwendig. Diese sogenannte A-USC Technologie wird den erstmaligen Einsatz von Nickelbasiswerkstoffen für Großkomponenten wie Gehäusen und Rotoren von Dampfturbinen erfordern. Die Arbeit umfasst die wesentlichen benötigten strukturmechanischen Auslegungskonzepte für Nickelbasis-Großkomponenten und stellt diese in einer komponentenspezifischen Form bereit, die die direkte Anwendung im Auslegungsprozess bei Turbinenherstellern ermöglicht. Ausgehend vom erarbeiteten Gesamtkonzept werden die Konzepte zur Absicherung der Turbinenrotoren und -gehäuse gegen Kurzzeitversagen und Kriechversagen detailliert entwickelt. Die Arbeit umfasst Ansätze unterschiedlicher Komplexität und Genauigkeit für die unterschiedlichen Phasen einer Turbinenentwicklung: von einfachen Handformeln hin zu fortschrittlichen FE-basierten Dehnungsnachweisen auf Basis eines Graham-Walles Modells, welches einen Schädigungsparameter zur Berücksichtigung der Mehrachsigkeit des Spannungszustands berücksichtigt. Im letzten Teil der Arbeit werden die erstellen Konzepte an komplexen Werkstoffversuchen validiert und anhand von FE-Modellen von Dampfturbinenkomponenten wird ihre Praxistauglichkeit bestätigt.Item Open Access Theoretische und experimentelle Analyse des Bauteilverhaltens rührreibgeschweißter Überlappverbindungen(2013) Kleih, Leonard Gregor; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)Der erweiterte Einsatz von Rührreibschweißverbindungen im Kraftfahrzeugwesen im Zuge der Durchsetzung von Leichtbaumaßnahmen insbesondere im Zusammenhang mit der Verwendung von Aluminiumstrukturen erfordert eine intensive Diskussion der Einsatzfähigkeit des Rührreibschweißprozesses hinsichtlich der Verbindungsqualität. Durch die Anwendung im Flugzeugbau ist die durch Rührreibschweißen erreichbare Nahtqualität hinreichend bewiesen, jedoch müssen die Rahmenbedingungen im Fahrzeugbau berücksichtigt werden. Das Produktionsvolumen und die abgesetzte Menge sowie die Diversität der Bauteilverbindungen unterscheiden sich dabei besonders stark von den bisherigen Einsatzgebieten des Rührreibschweißens. Aufgrund konstruktiver Vorgaben ist ein Einsatz von Überlappverbindungen z.B. bei der Herstellung von Tailored Blanks großer Blechdickenübergänge, der Erzeugung von Mischverbindungen, sowie beim Verschließen von Tanks und Gehäusen notwendig. Die untersuchten Überlappverbindungen finden typischerweise aufgrund der gewählten Blechdicken sowie der Legierungswahl (EN AW-5454 O, EN AW-6016 T4) im Karosseriebau Anwendung. Die Beurteilung der Verbindungseigenschaften von Überlappverbindungen erfolgt üblicherweise auf Basis des Nennspannungskonzeptes mit zusätzlicher Berücksichtigung des Kerbeinflusses. Durch diese Vorgehensweise können die Mechanismen, die zur Verkürzung bzw. zur Verlängerung der Lebensdauer einer spezifischen Verbindung führen, kaum identifiziert werden. Auch sind werkstoff- und eigenspannungsbedingte Einflüsse auf die Verbindungseigenschaften hinsichtlich der Anwendung in Form von rührreibge-schweißten Überlappverbindungen kaum erforscht. Um eine umfassende Charakterisierung rührreibgeschweißter Überlappverbindungen zu gewährleisten, wurden Schweißparameterstudien mit artgleichen Verbindungen und Mischverbindungen durchgeführt. Anhand der quasistatischen Verbindungsfestigkeit wurden Verbindungen ausgewählt und hinsichtlich ihrer zyklischen Verbindungseigenschaften geprüft. Unterstützend wurden metallografische und fraktografische Analysen zur Beurteilung der Gefügestrukturen sowie thermografische Untersuchungen und thermodynamische Berechnungen des Ausscheidungszustandes herangezogen, um mögliche Ausscheidungsauflösungen sowie Nahtfehler zu erkennen. Im Fokus der weiteren Untersuchungen stand die Erarbeitung und Anwendung einer vereinfachten analytischen Berechnungsmethodik zur Bestimmung der maximalen Strukturspannung in einschnittigen Überlappverbindungen. Die Berücksichtigung der wirkenden, den Zugspannungen überlagerten, Biegespannungen ermöglicht einen direkten Vergleich der Festigkeitseigenschaften mit Stumpfstoßverbindungen und den Grundwerkstoffen. Zur Berücksichtigung von Schweißeigenspannungen wurde ein Finite-Elemente-Berechnungsmodell erstellt, das es erlaubt, den Schrumpfeigenspannungszustand einer Probe zu erfassen und hinsichtlich eines Einflusses auf die Verbindungseigenschaften zu bewerten. Mit den in dieser Arbeit durchgeführten Analysen wird eine vereinfachte, realistische Bewertung des zyklischen Verbindungsverhaltens rührreibgeschweißter Überlappverbindungen geringer und mittlerer Fügestellenbreiten ermöglicht. Es wird gezeigt, dass die in der Naht herrschenden Strömungsverhältnisse großen Einfluss auf die Form und Lage von Oxidschichtpartikeln und damit direkte Auswirkungen auf das Bauteilverhalten besitzen.Item Open Access Werkstoffuntersuchungen an Mischschweißverbindungen für den Einsatz in Turbinenwellen des 700 °C-Kraftwerks(2015) Krojer, Stefan; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)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.