FVV-Berichte

Auszug

Die rechnerische Verformungs- und Lebensdauerbewertung von Abgasturbolader(ATL)-Heißteilen erfolgte bisher meist auf Basis niederfrequenter, elastoplastischer Ermüdungsbeanspruchungen (LCF), die aus An- und Abfahrvorgängen sowie aus Leistungswechseln resultieren. Im Betrieb unterliegen ATL-Heißteile jedoch einem komplexen Belastungsprofil aus Ermüdungsrissschädigung infolge thermozyklischer Werkstoffbeanspruchung (Thermomechanical Fatigue, TMF), Kriechschädigung infolge stationärer Betriebszustände mit Haltezeiteinflüssen und HCF-Schädigung infolge höherfrequenter, rein mechanischer Ermüdungsbeanspruchung durch Bauteilschwingungen und Strömungskräfte. In einem FVV-Vorgängervorhaben wurde erstmalig für ATL-Heißteile ein Werkstoff- und Rechenmodell zur Lebensdauerbewertung erarbeitet und an zwei typischen ferritischen Turbinengehäusewerkstoffen vom Typ EN-GJS SiMo überprüft. In dem AiF/BMWi-geförderten Folgevorhaben erfolgte nun die Überprüfung der Übertragbarkeit des Modells auf eine andere Werkstoffklasse, das heißt auf austenitische Gusseisen vom Typ EN-GJSA-XNiSiCr35-5-2 (Ni-Resist D-5S). Zunächst wurde dafür eine experimentelle Datenbasis geschaffen, da diese vor Beginn des Vorhabens nicht ausreichend war. Dazu wurden Zug-, Kriech-, LCF- und TMF-Versuche durchgeführt, die der Kalibrierung der Modelle dienten. Das Spannungs-Verformungs-Verhalten und die Lebensdauer in den LCF- und TMF-Versuchen werden durch das Modell auch für den neuen Werkstoff überwiegend gut beschrieben. LCF-Versuche mit Haltezeit bei 900 °C sowie In-Phase(IP)-TMF-Versuche mit einer Obertemperatur von 900 °C werden weniger gut vorhergesagt, da sich der Schädigungsmechanismus ändert. Eine Verifikation des Modells erfolgte mithilfe eines Bauteilversuchs an einem Abgassammler. Die überwiegende Anzahl der experimentell ermittelten Rissorte wurde von dem Modell vorhergesagt. Ein wesentliches Ziel des Vorhabens war, den Einfluss von HCF-Schwingungen auf die TMF-Lebensdauer vertieft experimentell zu untersuchen und das bereits bestehende Lebensdauermodell auf HCF-Überlagerung zu erweitern. Es wurde ein bruchmechanisch motivierter Ansatz entwickelt, in dem die Lebensdauerminderung durch die im TMF-Zyklus überlagerten HCF-Schwingungen abgebildet wird. Mit diesem Ansatz lassen sich die Lebensdauern für beide Werkstoffe (SiMo 4.05/Ni-Resist) in guter Übereinstimmung mit dem Experiment vorhersagen. Für einen breiteren Einsatz der TMF-Modellierung müssten allerdings die einzelnen Schritte möglichst standardisiert werden, um Ergebnisse von reproduzierbarer Qualität sicherzustellen.

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