Verlag des Forschungszentrums Jülich

JUEL-3706
Rieck, Thorsten; Schubert, Florian
Wachstum kleiner Risse bei hohen Temperaturen und Zug-Schwellbeanspruchungen in den einkristallinen Superlegierungen CMSX-4 und SC16
128 S., 1999

CMSX-4 ist eine Ni-Legierung für einkristalline Gasturbinenschaufeln der thermisch hochbelasteten, ersten Schaufelreihen in einer stationären Gasturbine großer Leistung. Es wird angenommen, daß im Turbinenbetrieb Ermüdungs- bzw. Kriechermüdungsrisse in der Größenordnung < 1 mm im Schaufelblatt und -fuß zu deren Versagen führen können. In der vorliegenden Arbeit wurde das Ermüdungs- und das Kriechermüdungsrißwachstum an SEN- Proben (Single Edge Notched) mit Kanten- und Eckrißgeometrie bei 750 und 1000°C getestet. Mit einbezogen wurde der einkristalline Werkstoff SC16 mit einem geringeren [lambda]-Gehalt.

In beiden Legierungen wurden im Ermüdungsrißwachstum bei 750°C höhere [Delta]K-Schwellenwerte als bei looo°C gefunden. Desweiteren wiesen Eckrißproben geringere Schwellenwerte als Kantenrißproben und ein ausgeprägteres Kleinrißverhalten auf. Bei 750°C weist die <100>- im Vergleich zur <110>-Rißorientierung der Kantenrißproben einen geringeren Schwellenwert und geringfügig höhere Rißwachstumsraten im Paris-Bereich auf. Dieser Effekt liegt in dem anisotropen Verhalten der Legierungen begründet und ist für CMSX-4 im Vergleich zu SC16 stärker ausgeprägt. Desweiteren wird im Makrobruchbild beobachtet, daß der Riß bei einer in <100>-Rißrichtung orientierten Kantenrißprobe vorwiegend dieser "schwächeren" Richtung folgt. Bei Rißeinleitung in <110>-Richtung wird der Riß in die <100>-Richtung abgelenkt. Die mittels FEM-Analysen berechneten Spannungsintensitätsfaktoren für CMSX-4 und SC16 haben mit einem steigenden Grad der elastischen Anisotropie größere Abweichungen vom isotropem zu anisotropen Werkstoffverhalten ergeben.

Mikroskopisch verläuft der Riß in CMSX-4 bei 750°C bei geringen [Delta]K- Werten vorwiegend eben auf {100}-Ebenen und bei mittleren Werten "zickzack'-förmig durch einen Wechsel des Rißwachstums entlang von {111}- und {100}-Ebenen. Dabei wächst der Riß entlang des [lambda]/[lambda]-lnterfaces. Bei hohen Verformungsgraden bzw. bei hohen [Delta]K-Werten und Rißwachstumsraten werden die [lambda]- Teilchen geschert, so daß ein gewaltbruchartiger Rißverlauf entlang von {111 }-Gleitebenen möglich ist. Bei l000°C wurde in CMSX-4 hauptsächlich Rißwachstum entlang des [lambda]/[lambda]-lnterfaces auf {100}-Ebenen gefunden, da die [lambda]-Teilchen erst bei sehr hohen Verformungsgraden geschnitten werden. SC16 zeigt kein Ablenken des Risses auf {111}-Ebenen. Dies kann mit dem Unterschied im [lambda]-Gehalt zwischen CMSX-4 und SC16 erklärt werden. Ein signifikanter Einfluß der floßartigen [lambda]-Ausgangsstruktur auf das Rißwachstum konnte nur bei 750°C ermittelt werden.

Oxidative Vorgänge beeinflussen vor allem den Rißstart- bzw. -anfangsbereich, da in dieser Phase des Risses die Oxidation schneller voranschreiten kann, als sich der Riß ausbreitet. Der Riß wird somit teilweise gestoppt bzw. verlangsamt. Im weiteren Rißverlauf nimmt der Einfluß der Oxidation ab. Dies wurde auch im Vergleich zwischen den Umgebungsmedien Luft und Vakuum herausgearbeitet.

CMSX-4 is a single crystal candidate superalloy for the highly stressed blades and vanes of a heavy stationary gas turbine. It is assumed that the failure of a turbine blade in service is caused by growth of fatigue or creep-fatigue cracks < 1 mm long in the aerofoil or root regions. In this work the fatigue and creep fatigue crack growth behaviour was investigated using single-edge-notched (SEN) specimens with edge and corner crack geometries at 750 and 1000°C. In addition single crystal alloy SC16 with reduced [lambda]' content was included in the test programme.

The [Delta]K threshold values for fatigue crack growth were for both alloys higher at 750 than at 1000°C. Futhermore the corner-crack specimens exhibited lower threshold values and a more pronounced growth of small cracks than edge-crack specimens. For edge-crack specimens at 750°C, the <100> crack orientation had a lower threshold value, and a slightly higher crack growth rate in the Paris region, than the <110> orientation. This anisotropic behaviour of the alloys was more marked for CMSX-4 than for SC16. Examination of the macro frac- ture surfaces showed that in the <100> orientated edge- crack specimen the crack followed the "weak" <100> direction. When the crack was initiated in the <110> direction, it was deflected and propagated in the <100> direction. The stress intensity factors for CMSX-4 and SC16 calculated by a FE-method showed differences between isotropic and anisotropic materials behaviour. These differences increased with an increasing degree of anisotropy.

From the microscopical point of view, at 750°C and low [Delta]K values the crack grew along {100} planes. At higher [Delta]K values, the crack path was zigzag-shaped with a change of the crack path between {111} and {100} planes. At high er degrees of deformation or high [Delta]K values and crack growth rates, the [lambda]' particles were cut. Therefore rapid fracture along {111} planes was observed. At l000°C in CMSX-4 the crack growth mainly followed the [lambda]/[lambda]' interface on {100} planes. At high temperatures the [lambda]' could only be cut at very high degrees of deformation rates. SC16 did not show the change of the crack path to {111} planes. This can be explained by the difference in the [lambda]' content between CMSX-4 and SC16. The crack growth was only influenced by the initial raft-like [lambda]' structure at 750°C.

The crack initiation point or the initial stage of crack growth was influenced by oxidation, the oxidation rate being high er than the crack growth rate. Therefore the crack stopped or slowed down. In the later stages of crack growth, the influence of oxidation decreased. A comparison of the results of crack growth experiments in air and in vacuum showed exactly this influence of oxidation.

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Letzte Änderung: 07.06.2022