Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-3706
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.
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.
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.
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.
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