Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-4067
Comparing the single crystal materials, CMSX-4 exhibited in strain rate controlled tensile tests
(1000°C) higher strength properties than SX CM186LC. The heterogeneity ofthe microstructure
development of SX CM186LC favoured crack initiation and explains the worse fatigue behaviour.
Crack growth followed mainly in the interdendritic regions. In the ternperature range of 750 to
1000°C, the creep resistance of SX CM186LC was lower than that of CMSX-4. In isothermal
fatigue tests the advantage of the single crystal variants compared to the directionally solidified
variants was demonstrated. Bond coating of MCrAlY on single crystal specimens seerned to have
a positive effect on life time compared to directionally solidified variants. The difference in the
materials behaviour could be clearly demonstrated by a comparison between the homogeneons
microstructure of CMSX-4 and the heterogeneous microstructure of SX CM186LC. Based on
some oxidation test results mentioned in the open literature together with isothermaloxidation
tests carried out in a ternperature range of 550 to 1000°C, CMSX-4 exhibited good oxidation
resistance, which meant that the cooling channels (drillings) did not close up due to oxide scale
formation.
Principally this work concentrated on the set-up and testing method for in-situ investigations in the
scanning electron microscope (SEM). In-situ investigations in the SEM were carried out to obtain
a description of micro-crack (smaller than 100 mm) initiation and growth, starting frorn laser
drilled cooling channels. The development of the SEM investigation showed that crack initiation
started mainly at the base of the drilling, crack propagation appeared to be perpendicular to the
main load stress direction and crack growth ran along the cooling channels located perpendicular
to the main load. In-situ testing in the SEM represents a new testing method.
The results which described the material behaviour could be used in the evaluation of the
operational limits of effusion cooled components in modem industrial gas turbines.
Klabbers-Heimann, Jürgen
Anwendungsgrenzen von modernen Nickelbasis-Superlegierungen in effusionsgekühlten Bauteilen zukünftiger Gasturbinen
135 S., 2003
Das Verformungs- und Versagensverhalten von den Nickelbasis-Superlegierungen CMSX-4 und
SX CM186LC, als einkristalline und als stängelkristalline Variante, wurde bei Temperaturen bis
zu 1000°C bezüglich der Eigenschaften in Warmzugversuchen, Kriecheigenschaften und
Ermüdungsverhalten verglichen. Dabei ist der Einfluss der Gefügeausbildung beider Werkstoffe
auf diese Eigenschaften belegt worden. Von den beiden einkristallinen Werkstoffen CMSX -4 und
CM186 LC unter höchster Temperaturbelastung (1OOO°C) im dehnungskontrollierten Zugversuch
zeigten die Proben des Werkstoffs CMSX-4 höhere Festigkeitskennwerte als Proben aus SX
CM186LC. Gefügeinhomogenitäten des Werkstoffes SX CMl86LC begünstigen die
Rissinitiierung und erklären das schlechtere Ermüdungsverhalten der Proben aus SX CM186LC.
Das Risswachstum verläuft hauptsächlich in den interdendritischen Bereichen. Im
Temperaturbereich von 750 bis 1000°C ist das Zeitstandverhalten von SX CM186LC im
Vergleich zu CMSX-4 deutlich geringer. Die in isothermen Ermüdungsversuchen erzielten
Lastspielzahlen der untersuchten Werkstoffe konnten deutlich die Vorteile der einkristallinen
Variante gegenüber der stängelkristallinen Variante herausstellen. Für die Proben der
einkristallinen Werkstoffe ist ein positiver Effekt der HVS-Beschichtung nachgewiesen worden.
Der Unterschied in den Werkstoffeigenschaften der untersuchten Nickelbasis-Superlegierungen
kann aus dem Vergleich des homogenen Gefüges von CMSX -4 mit dem des heterogenen Gefüges
von SX CM186LC erklärt werden. Anhand der in dieser Arbeit durchgeführten isothermen
Oxidationsversuche und den aus der Literatur vorliegenden Ergebnissen zum Oxidationsverhalten
von CMSX-4 kann ein oxidatives Zuwachsen der Kühlkanäle (Bohrungen) in einem
Temperaturbereich von 550 bis 1000°C nicht abgeleitet werden. Ein wesentlicher Schwerpunkt
dieser Arbeit war die Erarbeitung der Versuchsführung und die Durchführung von "In-Situ"-
Untersuchungen im Rasterelektronenmikroskop, die der Beschreibung von Mikrorissentstehung
und Mikrorisswachstum von Rissen (<100 mm) ausgehend von lasergebohrten Kühlbohrungen
dienten. Die Untersuchungen im Rasterelektronenmikroskop sind für die "In-situ"-Beobachtungen
des Rissgeschehens, d.h. von Rissinitiierung und Risswachstum, bestens geeignet. Die hier
weiterentwickelte Versuchsführung hat gezeigt, dass der Bohrlochgrund die Rissinitiierung mit
hoher Wahrscheinlichkeit begünstigt, die Rissbildung senkrecht zur Hauptbelastungsrichtung
auftritt und Risswachstum entlang senkrecht zur Hauptbelastung versetzt ausgerichteter
Bohrlochreihen verläuft. Die in dieser Arbeit aufgeführten Ergebnisse wurden ausschließlich
während der Versuchdurchführung "In-situ" im Rasterelektronenmikroskop aufgenommen und
stellen eine neuartige Versuchmethodik dar. Zur Beschreibung des Werkstoffverhaltens können
die erzielten Resultate herangezogen werden, die Einsatzgrenzen der untersuchten Werkstoffe für
Bauteilkomponenten in modemen GUD-Kraftwerken mit Effusionskühlung zu beurteilen.
The deformation and darnage behaviour of two nickel-base superalloys, CMSX-4 and SX
CM186LC, have been investigated. Hot-tensile, tensile creep and low-cycle-fatigue tests have
been performed on single crystal and directionally solidified variants at ternperatures up to 1000°C
to compare their tensile-, creep- and fatigue behaviour. The strength and fatigue properties of both
materials were significantly influenced by their different microstructures.
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