TY - BOOK

T1 - Impactverhalten und Schadenstoleranz ausgewählter g-TiAl Legierungen

AU - Lintner, Arthur

N1 - gesperrt bis 03-03-2028

PY - 2023

Y1 - 2023

N2 - Intermetallische g-Titanaluminide (TiAl) bieten aufgrund hoher spezifischer Festigkeit, Kriech- und Oxidationsbeständigkeit in Verbindung mit einer geringen Dichte von etwa 4 g/cm³ ein enormes Potenzial zur Gewichtsreduktion bei Strukturbauteilen für Hochtemperaturanwendungen bis etwa 750°C. Werden dabei schwere Nickelbasis-Superlegierungen ersetzt, können Maschinenperformance von Verbrennungsmotoren oder Flugzeugtriebwerken verbessert sowie Kraftstoffverbrauch und damit CO2-Emissionen reduziert werden. Nachteilig erweisen sich jedoch geringe Duktilität und Bruchzähigkeit dieser Werkstoffklasse. Neben hochzyklischer Belastung, Heißgaskorrosion und Kriechen sind Flugzeugturbinenschaufeln dem Einschlag externer Objekte oder von Partikeln aus vorgeschaltenen Triebwerksstufen ausgesetzt. Eine hinreichende Bauteilsicherheit und Schadenstoleranz kann nur durch ein ausgewogenes Eigenschaftsprofil des Werkstoffes sichergestellt werden. Im Zuge umfangreicher Beschussversuche an vorgespannten Plattenproben wurde die Impact-Robustheit von drei TiAl-Legierungen und zehn darin eingestellten Mikrostrukturen untersucht. In Abhängigkeit von Probendicke, Projektildurchmesser und -material wurde die geringste zur Rissinitiierung erforderliche Beschussenergie bestimmt sowie jene kinetische Energie ermittelt, ab welcher es unter der Vorspannung zum Probenbruch kommt. Repräsentativ für die Beanspruchung einer Turbinenschaufel durch die Start-/Landezyklen eines Flugzeuges wurde die verbleibende Ermüdungsfestigkeit durch ein Stufentestverfahren ermittelt. Die Ausbreitung der Rückseitenrisse wurde in lichtmikroskopischen und computertomografischen (CT) Untersuchungen charakterisiert. Umfassende rasterelektronenmikroskopische Analysen zeigen den Einfluss der lokalen Mikrostruktur. Duktilität und Zugfestigkeit entscheiden über die Initiierung erster Rückseitenrisse bei einem Aufprall mit geringer Energie. Die weitere Rissausbreitung und das Versagen der Probe hängen jedoch von der Bruchzähigkeit des Werkstoffes ab. Dynamische Bruchzähigkeitsexperimente, die an mit Dehnungsmessstreifen instrumentierten Proben durchgeführt wurden, um Trägheitseffekte auszuschließen, ergaben eine mit der Belastungsgeschwindigkeit leicht zunehmende Bruchzähigkeit. Schwellenwertversuche zeigten ein ausgeprägtes Risswiderstandskurvenverhalten (R-Kurve) des Materials. Durch eine vorhergehende Zugüberlast konnte die Steigung der zyklischen R-Kurve signifikant erhöht werden. Im Gegensatz zu duktilen Werkstoffen wird jedoch der Langriss-Schwellenwert nicht angehoben.

AB - Intermetallische g-Titanaluminide (TiAl) bieten aufgrund hoher spezifischer Festigkeit, Kriech- und Oxidationsbeständigkeit in Verbindung mit einer geringen Dichte von etwa 4 g/cm³ ein enormes Potenzial zur Gewichtsreduktion bei Strukturbauteilen für Hochtemperaturanwendungen bis etwa 750°C. Werden dabei schwere Nickelbasis-Superlegierungen ersetzt, können Maschinenperformance von Verbrennungsmotoren oder Flugzeugtriebwerken verbessert sowie Kraftstoffverbrauch und damit CO2-Emissionen reduziert werden. Nachteilig erweisen sich jedoch geringe Duktilität und Bruchzähigkeit dieser Werkstoffklasse. Neben hochzyklischer Belastung, Heißgaskorrosion und Kriechen sind Flugzeugturbinenschaufeln dem Einschlag externer Objekte oder von Partikeln aus vorgeschaltenen Triebwerksstufen ausgesetzt. Eine hinreichende Bauteilsicherheit und Schadenstoleranz kann nur durch ein ausgewogenes Eigenschaftsprofil des Werkstoffes sichergestellt werden. Im Zuge umfangreicher Beschussversuche an vorgespannten Plattenproben wurde die Impact-Robustheit von drei TiAl-Legierungen und zehn darin eingestellten Mikrostrukturen untersucht. In Abhängigkeit von Probendicke, Projektildurchmesser und -material wurde die geringste zur Rissinitiierung erforderliche Beschussenergie bestimmt sowie jene kinetische Energie ermittelt, ab welcher es unter der Vorspannung zum Probenbruch kommt. Repräsentativ für die Beanspruchung einer Turbinenschaufel durch die Start-/Landezyklen eines Flugzeuges wurde die verbleibende Ermüdungsfestigkeit durch ein Stufentestverfahren ermittelt. Die Ausbreitung der Rückseitenrisse wurde in lichtmikroskopischen und computertomografischen (CT) Untersuchungen charakterisiert. Umfassende rasterelektronenmikroskopische Analysen zeigen den Einfluss der lokalen Mikrostruktur. Duktilität und Zugfestigkeit entscheiden über die Initiierung erster Rückseitenrisse bei einem Aufprall mit geringer Energie. Die weitere Rissausbreitung und das Versagen der Probe hängen jedoch von der Bruchzähigkeit des Werkstoffes ab. Dynamische Bruchzähigkeitsexperimente, die an mit Dehnungsmessstreifen instrumentierten Proben durchgeführt wurden, um Trägheitseffekte auszuschließen, ergaben eine mit der Belastungsgeschwindigkeit leicht zunehmende Bruchzähigkeit. Schwellenwertversuche zeigten ein ausgeprägtes Risswiderstandskurvenverhalten (R-Kurve) des Materials. Durch eine vorhergehende Zugüberlast konnte die Steigung der zyklischen R-Kurve signifikant erhöht werden. Im Gegensatz zu duktilen Werkstoffen wird jedoch der Langriss-Schwellenwert nicht angehoben.

KW - Titanaluminid

KW - Partikelimpact

KW - titanium aluminide

KW - foreign object damage

U2 - 10.34901/mul.pub.2023.126

DO - 10.34901/mul.pub.2023.126

M3 - Dissertation

ER -