Lebensdauervorhersage von Mischschweißverbindungen für Hochtemperaturbeanspruchung

Abstract

Die Nutzung erneuerbarer Energien soll langfristig die Energieerzeugung durch konventionelle, fossil befeuerte Kraftwerke ablösen. Bis zur vollständigen Realisierung dieses Ziels muss eine ausreichende Anzahl konventioneller Kraftwerke verbleiben, um Fluktuationen in Stromerzeugung und -abruf auszugleichen. Folglich wird auch für diese Kraftwerke weiterhin die Steigerung des Wirkungsgrades angestrebt, was Ausgangspunkt einiger nationaler und internationaler Forschungsinitiativen ist. In Dampfkraftwerken wird der höhere Wirkungsgrad durch eine Anhebung von Dampftemperatur und -druck bis 700 °C und 350 bar ermöglicht, was jedoch zugleich die Beanspruchung der Werkstoffe immens erhöht. Nach derzeitigem Forschungsstand kann diese nur von Nickelbasiswerkstoffen über ausreichend lange Zeiträume ertragen werden. Zugleich ist der Einsatz solcher Werkstoffe in Kraftwerkskomponenten technologisch herausfordernd und aufgrund der kostenintensiven Legierungselemente aus ökonomischer Sicht zu beschränken. Folglich sollen in den Bereichen niedrigerer Temperaturen weiterhin geeignete (u.a. 9-12%Cr-)Stähle verwendet werden, was zwangsläufig zu Mischverbindungen zwischen Nickelbasiswerkstoffen und Stählen führt. Bei der Zeitstandbeanspruchung solcher Mischverbindungen mit modernen 9-12%Cr-Stählen zeigt sich wiederkehrend ein sehr verformungsarmer Bruch entlang der Fusionslinie zum Stahl. Durch die geringe Verformung bis zum Bruch und die stark lokalisierte Porenschädigung lässt sich eine derartige Mischverbindung nur schwer überwachen und es liegt gegenwärtig kein „Leck-vor-Bruch“-Konzept vor. Insofern stellt der Fusionslinienbruch ein hohes, schwer kalkulierbares Risiko dar. Zugleich lassen sich Zeitstandversuche verschiedener Werkstoffkombinationen nicht immer zu einem gemeinsamen Erklärungsansatz harmonisieren. Dies gilt insbesondere mit Blick auf den Zusammenhang zwischen Spannung und der Wahrscheinlichkeit des Auftretens dieser Fusionslinienbrüche. Aktuelle Veröffentlichungen machen darüber hinaus deutlich, dass der umfassend erforschte Schädigungsmechanismus für solche Schweißverbindungen zwischen Nickellegierungen und 2,25%Cr-Stählen nicht unbedingt auf die Verbindungen mit 9-12%Cr-Stählen übertragbar ist. Darüber hinaus ist es bisher nicht möglich, das Auftreten der Fusionslinienbrüche befriedigend mittels Finite-Elemente-Methode zu beschreiben. Verfügbare Ansätze für artgleiche Verbindungen können Mischbrüche (Bruch zum Teil entlang der Fusionslinie und zum Teil in der Wärmeeinflusszone) allenfalls ansatzweise darstellen. Bereits für artgleiche Schweißverbindungen ist zudem keine quantitative Aussage über Bruchlage und -zeitpunkt möglich. In der vorliegenden Arbeit wird daher eine Schweißverbindung der Gusswerkstoffe Alloy 625 und GX12CrMoVNbN9-1 untersucht. Neben der Charakterisierung des Zeitstandverhaltens erfolgt eine umfangreiche Untersuchung der Bruchflächen. Entsprechend noch offener Fragestellungen der bisherigen Literatur, betrachten die Untersuchungen dabei insbesondere die Mikrostruktur nahe der Fusionslinie (Fusionslinienarten, Karbide, Grenzschichtband). Die Ergebnisse werden im Kontext der Literatur und weiterer Untersuchungen an weiteren Nickelbasiswerkstoff-Stahl-Verbindungen, die an der Materialprüfungsanstalt Universität Stuttgart durchgeführt wurden, diskutiert. Eine hierfür erarbeitete Kategorisierung der auftretenden Bruchaussehen ermöglicht dabei zunächst eine einheitliche Bezeichnung der unterschiedlichen Bruchaussehen. Im weiteren Verlauf werden Einflussfaktoren herausgearbeitet und einige Literatur-Schlussfolgerungen erneut bewertet. Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit wird ein dehnungsbasiertes Versagenskriterium zur numerischen Bewertung von Schweißverbindungen unter Kriechbeanspruchung, mit besonderem Augenmerk auf Fusionslinienbrüche, vorgestellt. Das Versagenskriterium beruht auf der abhängig vom Zustand der Spannungsmehrachsigkeit berechneten Verformungsfähigkeit des Werkstoffs (Grenzdehnung) und deren Erreichen im beanspruchten Querschnitt. Es wird in seiner Eignung schrittweise erprobt, zunächst an Grundwerkstoffversuchen (einachsig und mehrachsig beansprucht), dann an artgleichen Schweißverbindungen (Zeitstandproben und Druckbehälter) und schließlich an Mischverbindungen (Stahl-Stahl, Nickelbasis-Stahl). Ergänzend wird der Einfluss einer kriechschwachen Zone an der Fusionslinie sowie der Einfluss der Festigkeit des Schweißguts auf den Fusionslinienbruch numerisch untersucht. Für eine geeignete Modellierung des Kriechverhaltens von Schweißverbindungen mittels Kriechgesetz, müssen auch für die Wärmeeinflusszonen die Materialparameter identifiziert werden. Da von diesen Zonen das Verformungsverhalten selten bekannt ist, wird auf Basis einer Datensammlung ein Ansatz zur Abschätzung des Werkstoffverhaltens über die Grundwerkstoff-Eigenschaften vorgestellt. Die vorliegende Arbeit dient damit zur Erweiterung des Kenntnisstands zum Versagensverhalten von artfremden Nickelbasiswerkstoff-Stahl-Schweißverbindungen unter Kriechbeanspruchung, auch von Gusswerkstoffen. Sie führt offene Fragestellungen fort und liefert Ansätze, bisher widersprüchliche Ergebnisse zu harmonisieren. Zudem wird ein Modellierungsvorgehen für das Kriechverhalten der Wärmeeinflusszone in Schweißverbindungen sowie ein Versagenskriterium vorgestellt, welches sich für Versuche an Grundwerkstoffen und artgleichen sowie artfremden Schweißverbindungen eignet.