Autorenrichtlinie für die Tagung Werkstoffprüfung 2009

Charakterisierung der
Hochtemperaturermüdungsrissausbreitung durch kombinierte
optische und resistometrische Risslängenmessung
K. Wackermann, Universität Siegen
U. Krupp, Hochschule Osnabrück
H.-J. Christ, Universität Siegen
Zusammenfassung
In Turbinen unterliegen Werkstoffe einer kombinierten Beanspruchung aus mechanischer
und thermischer Belastung. Dadurch kann ein atmosphärenabhängiges Risswachstum
resultieren, welches z.B. in der Flugzeugindustrie sicherheitsrelevante Bauteile betrifft. Aus
diesem Grund besteht die Notwendigkeit, das Ermüdungsrisswachstum umfassend in Luft
und vergleichend in Vakuum für ein besseres Verständnis der relevanten
Schädigungsmechanismen zu dokumentieren. Dies wird in diesem Beitrag durch eine
kombinierte optische und resistometrische Rissverfolgung, appliziert in einer
servohydraulischen Ermüdungsprüfmaschine mit Vakuumkammer und Induktionsheizung, an
Corner-Notch-Proben durchgeführt. Für die optische Oberflächenrissverfolgung wird ein
Fernfeldmikroskop genutzt, welches die Rissverfolgung durch einen Fensterflansch der
Vakuumkammer ermöglicht. Die Verfolgung des Risswachstums im Vollmaterial wird durch
eine Wechselstrompotentialsonde (ACPD) ermöglicht. Gegen die Schwankung des
Messsignals durch eine Selbstinduktion wurde eine strikte Kabelführung mit teilweise
abgeschirmten Kabeln entwickelt. Im Beitrag werden exemplarisch Versuchsergebnisse
vorgestellt und diskutiert, die sich auf den Schädigungsmechanismus dynamische
Versprödung von Nickelbasislegierungen beziehen.
Stichwörter: Wechselstrompotentialsonde, Ermüdungsrissausbreitung, Hochtemperaturermüdung, Alloy718, Dynamische Versprödung
1
Einleitung
Nickelbasislegierungen sind aufgrund ihrer Hochtemperaturermüdungsfestigkeit und ihrer
Korrosionsbeständigkeit gepaart mit guten Kriecheigenschaften die Standardwerkstoffe für
Turbinenschaufeln und -scheiben. Bei Vergleichsuntersuchungen an Laborluft und Vakuum
wird für Vakuumversuche in der Regel eine wesentlich höhere Versagensbruchlastspielzahl
nachgewiesen [1,2]. An Luft führen Haltezeiten bei maximaler Kraft zu deutlich reduzierten
Bruchlastspielzahlen, was in einem mittleren Temperaturbereich, in dem Kriechprozesse
noch nicht ausgeprägt sind, durch die Sauerstoffdiffusion entlang der Korngrenzen und
Sauerstoffanreicherung an der Rissspitze erklärt werden kann. Vakuumversuche weisen nur
einen geringen Einfluss der Haltezeit auf (siehe Bild 1) [3]. Die Bruchfläche an Luft ohne
Haltezeit ist durch eine transkristalline Rissausbreitung mit Schwingstreifen gekennzeichnet
und wechselt mit längerwerdender Haltezeit zu einer interkristallinen Bruchfläche.
Vakuumversuche haben unabhängig von der Haltezeit eine transkristalline Rissausbreitung
zur Folge. Der verursachende Mechanismus wird die dynamische Versprödung bezeichnet.
Der Luftsauerstoff diffundiert thermisch aktiviert und spannungsunterstützt in die Korngrenzen
und erzeugt eine rapide, spröde und interkristalline Rissausbreitung [3][5]. Für ein besseres
Verständnis des Mechanismus ist quantitative Charakterisierung der Rissausbreitung nötig.
Zu diesem Zweck wird eine servohydraulische Ermüdungsmaschine mit Vakuumkammer um
eine optische und resistometrische Risslängenmessung erweitert, die folgend vorgestellt
wird.
(a)
(b)
Bild 1
2
Gesamtdehnungsgeregelte Ermüdungsversuche ( Δε/2 = 0,7 %; T=650°C): (a)
Wechselverformungskurve im Vakuum [4]; (b) Wechselverformungskurve an Luft
[3].
Material, Probengeometrie und Versuchsstand
Als Probenmaterial wurden radial zylindrische Probenrohlinge aus einer geschmiedeten
Turbinenscheibe der Nickelbasislegierung IN718 erodiert. Die Probenrohlinge wurden
folgender Standardwärmebehandlung unterzogen:
1.
2.
3.
4.
Lösungsglühen für 20 Minuten bei 1050°C
Abschrecken in Wasser
Auslagern für 12 Stunden bei 718°C mit
Abkühlgeschwindigkeit über 12 Stunden auf 620°C
Abkühlung an Luft
anschließender
konstanter
Als Probengeometrie wurde die Corner-Notch-Probe entsprechend ASTM E 647 [6] mit einem
quadratischen Querschnitt von 7 mm in der Testlänge gewählt. Die Probenoberfläche wurde
für die Versuche mechanisch mit Tonerde bis zu 1 µm poliert. Mittig in einer der Probenkanten
wurde ein 0,25 mm Starterkerb erodiert, aus dem anschließend mit Diamantdraht die
Oxidschicht abgetragen wurde. Zur Erzeugung eines scharfen Anrisses von ca. 0,5mm bis
1mm Länge wurden die Proben vor den Versuchen bei Raumtemperatur mit einer Frequenz
von bis zu 5 Hz kraftkontrolliert angeschwungen. Die Spannungsamplitude wurde dabei
kontinuierlich reduziert, um eine kleine plastische Zone für ein schnellen Rissstart im
folgenden Rissausbreitungstest zu erreichen.
Der Versuchsstand besteht aus einer servohydraulischen Ermüdungsmaschine, an die eine
Vakuumkammer mit Fensterflansch appliziert ist. Eine Induktionsheizung ermöglicht
Versuchstemperaturen von bis zu 1050°C. Durch den einseitigen Fensterflansch wird die
optische Oberflächenrissverfolgung durch ein Fernfeldmikroskop des Typs Questar QM 1
ermöglicht (siehe Bild 2). Die Tiefeninformation des Risses wird mit einer
Wechselstrompotentialsonde des Typs Matelect CGM7 gemessen.
Bild 2
Servohydraulische Hochtemperaturermüdungsmaschine mit Vakuumkammer und
aufgebauten Fernfeldmikroskop.
3
Die Wechselstrompotentialsonde
Es gibt zwei Arten von Potentialsonden, die Wechselstrompotentilasonden (ACPD) und die
Gleichstrompotentialsonden (DCPD). Welches Messverfahren günstig ist, wird von der
Anwendung bestimmt. So hat die ACPD ein höheres absolutes Signal-Rausch-Verhältnis und
kann ohne eine elektrische Probenisolierung gegenüber der Ermüdungsmaschine mit einer
hohen Messgenauigkeit betrieben werden [7,8], während die DCPD unbedingt eine Isolierung
benötigt [9]. Die ACPD kann simultan mit einer Induktionsheizung betrieben werden, indem
ein Frequenzfilter das ACPD-Signal isoliert. Die ACPD kann entweder mit Skineffekt genutzt
oder in einem Quasi-DCPD Modus betrieben werden. Mit Skineffekt wird nur eine
Oberflächeninformation des Risses gemessen und theoretisch eine höhere Auflösung
erreicht. Im Quasi-DCPD Modus wird wie bei einer DCPD eine Tiefeninformation des Risses
gemessen. Hochauflösende Messsysteme haben neben des Kanal zur Rissmessung einen
Referenzkanal, welcher Temperaturschwankungen und wechselnde mechanische
Spannungen kompensiert. Nachteilig bei ACPD ist, dass Wechselstrom zu einer
Selbstinduktion führen kann, wodurch der Messwert durch eine Kabelbewegung enorm
schwankt [7]. Daher wurde eine Kabelhalterung konstruiert, welche die Kabelbewegung durch
eine reproduzierbare Geometrieführung und eine Kabelschirmung auf ein Minimum reduziert.
Zwischen dem ACPD-Messsystem und der Außenseite der Vakuumkammer sind
Koaxialkabel im Einsatz. Von der Innenseite der Vakuumkammer bis unmittelbar vor die
Induktionsspule wird eine strikte Kabelführung bestehend aus Messingrohren verwendet
(siehe Bild 2a). Die Überbrückung zur Probenoberfläche erfolgt durch an die Probe
geschweißte Drähte, die von Miniaturkrokodilklemmen aufgenommen werden (siehe Bild
2b). Aus Platzgründen sind die Stromzuführung und der Spannungsabgriff in einer Ebene
parallel verlegt. Besser für eine geringere Selbstinduktion wäre ein rechtwinkliger Versatz.
Versuche mit und ohne applizierten Referenzkanal belegen ein deutlich besseres Messsignal
für Versuche mit Referenzkanal.
(b)
(a)
Bild 2
(a) Kabelführung vom Rand der Vakuumkammer zur Induktionsspule; (b)
Kabelführung zur Probenoberfläche.
Die Wechselstromsonde wurde für die Versuche mit einer Frequenz von 3974 Hz und einem
Strom von 1 A betrieben. Bei dieser Paarung von Frequenz und der magnetischen
Permeabilität des Materials wird die ACPD ohne Skin-Effekt und ohne Resonanz zur
Netzfrequenz betrieben. Daher wird eine Tiefen- und nicht nur eine Oberflächeninformation
des Risses gemessen. Die Risslänge wird vom gekerbten Rand der Probe zur Probenmitte
gemessen. Für Risse bis 4 mm Tiefe ist ein linearer Zusammenhang zwischen der Risstiefe
und dem ACPD-Spannungssignal an Luft nachgewiesen worden, vgl. auch [8,10].. Größere
Risse führen zu einem parabolisch steigenden Messsignal. Ob eine Temperaturabhängigkeit
des ACPD-Signals auftritt ist materialabhängig. So zeigen Corner-Notch-Proben aus IN718
mit gesägten Rissen nahezu keine Temperaturabhängigkeit, während für Baustahl das
ACPD-Signal sehr stark von der Temperatur abhängt (siehe Bild 3).
Werkstoff: Baustahl S235JR
8
Risslänge (mm)
8
6
4
Raumtemperatur
2
700°C
Bild 3
4
6
4
500°C
2
Raumtemnperatur
0
0,5
(a)
Risslänge (mm)
Werkstoff: IN718
0,7
0,9
1,1
elektr. Spannung ACPD (V)
0
0
0,5
1
1,5
elektr. Spannung ACPD (V)
2
(b)
ACPD-Spannungssignal für je zwei Temperaturen gemessen an (a) IN718 und (b)
des Baustahl S235JR.
Das Fernfeldmikroskop
Das Fernfeldmikroskop ermöglicht die Oberflächenrissverfolgung. Oxidschichten bei
Hochtemperaturversuchen erschweren die Rissverfolgung dabei allerdings erheblich
(siehe Bild 4). Die beste Oberflächenbeobachtung wurde an mechanisch polierten Proben
erreicht. Ein elektrolytisches Polieren führte zu einer besser spiegelnden Probenoberfläche,
aber auch zu einer welligen Oberfläche, welche den Risskontrast erheblich reduzierte.
(a)
Bild 4
5
(b)
(a) Riss bei Raumtemperatur und (b) bei 650°C aufgenommen mit dem
Fernfeldmikroskop
Die Rissverfolgung
Die resistometrische Rissverfolgung des Gesamtsystems wird anhand eines
Ermüdungsversuchs mit 1,3 mm Starterriss bei einem Spannungsverhältnis R=0, einer
Spannungsschwingbreite von ΔF=25 kN (entspricht einer nominalen Maximalspannung von
σ max =510 MPa und einer Minimalspannung von σ min =0 MPa) und einer Versuchstemperatur
von 650°C an Laborluft dargestellt. Jeder Ermüdungszyklus bestand aus 296 Sekunden
Haltezeit bei maximaler Kraft und Kraftrampen von 2 Sekunden. Der Versuch wurde bei der
kritischen Risstiefe von 4 mm beendet, die Probe im Zugversuch an Raumtemperatur
aufgebrochen, die Risslänge ausgemessen, die Länge linear mit dem Spannungssignal
korreliert und so die Risslänge für den jeweiligen Ermüdungszyklus bestimmt (siehe Bild 5a).
Wird die Rissausbreitungsgeschwindigkeit direkt aus der gemessenen Rissverlängerung pro
Zyklus berechnet (siehe Bild 5b), so ergibt sich eine deutliche Variation. Die polynomische
Glättung nach ASTM E 647 liefert einen gleichmäßigeren Rissanstieg.
4,5
Risslänge (mm)
4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0
10
20
30
40
Ermüdungszyklus
(a)
Bild 5
(b)
Rissausbreitungversuch mit dem Spanunngsverhältnis R = 0 bei 650°C: (a)
Risslänge aufgetragen über den Ermüdungszyklus; (b) Risswachstumsgeschwindigkeit aufgetragen über die Schwingbreite des
Spannungsintensitätsfaktor
Trotz dieser Glättung zeigt die Rissausbreitungsgeschwindigkeit einen unstetigen Verlauf.
Ursächlich dafür sind die insgesamt nur 27 Ermüdungszyklen, von denen glättungsbereinigt
23 verbleiben. Darüber hinaus hat die ACPD systembedingt ein Messrauschen. Ein Abgleich
der gemessenen Rissläng den Werten aus den Bildern des Fernfeldmikroskops wird bei
Hochtemperaturversuchen an Luft durch die Oxidschicht erschwert. Ein Rissausbreitungstest
bei Raumtemperatur an IN718 mit der Spannungsamplitude ΔF = 27 kN und dem
Spannungsverhättnis von R = -1 zeigt eine Übereinstimmung zwischen der optischen und
resistometrischen Risslänge, so dass bei Vakuumversuchen auch eine erfolgreiche optische
Rissverfolgung zu erwarten ist. Weiterhin kann somit der lineare Zusammenhang zwischen
der Risslänge und dem Potentialsignalwerte nachgewiesen werden (siehe Bild 6).
(a)
Bild 6
(b)
Rissausbreitungversuch: Spanunngsverhältnis R = 0, Spannungsamplitude
ΔF = 27 kN, Raumtemperatur, Laborluft: (a) Risslänge aufgetragen über die
Ermüdungszyklenzahl; (b) Nachweiß des linearen Zusammenhangs zischen
optischer und resistometrischer Risslänge.
6
Schlussfolgerung aus Ausblick
Es wurde die Möglichkeit zur kontinuierlichen Verfolgung der Ermüdungsrissausbreitung
durch eine kombinierte resistometrische und optische Risslängenmessmethode anhand von
Versuchen in Luft bei 650°C und Raumtemperatur an der Nickelbasislegierung IN718 gezeigt.
Bei optischer Risslängenmessung wird bei Raumtemperaturversuchen ein hohes
Kontrastverhältnis des Risses zur Probenoberfläche erreicht, so dass eine kombinierte
Aufzeichnung des Rissfortschritt durch resistometrische und optische Messung möglich ist.
An Laborluft bei 650°C verhindert die Oxidschicht eine zuverlässige optische Rissmessung,
so dass hier eine Aussage nur über die resistometrische Messung möglich ist. Für die
geplante Vakuumversuche wird erwartet, dass die Rissverfolgung unterstützend zur
resistometrischen Messung auch optisch möglich sein wird..
Für die Rissverfolgung mittels einer Wechselstrompotentialsonde wurde eine optimierte
Kabelführung entwickelt, die nur minimale Kabelbewegungen und daher nur eine sehr kleine
Selbstinduktion zulässt. Dies führt zu reproduzierbaren Ergebnissen. Damit wurde eine
kontinuierliche in-situ Rissverfolgung in einem Induktionsfeld erreicht. Durch den Betrieb der
Wechselstromsonde ohne einen Skin-Effekt wird eine Tiefeninformation der Rissgröße
gemessen. Die sehr schnelle Messmethode ermöglicht die Messung des Rissfortschritts
innerhalb eines Ermüdungszyklus. In den geplanten weiterführenden Arbeiten soll die
Werkstoffmikrostruktur mit dem Rissfortschrittsverhalten korreliert werden. Langfristig soll die
Tauglichkeit des Systems für die Erfassung der Ermüdungsrissausbreitung unter
thermomechanischen Beanspruchungsbedingungen gezeigt werden.
7
Literaturverzeichnis
[1]
Kang, B.S.; Zhang, G.; Liu, P., Ellathur, M.: Stress accelerated grain boundary oxygen diffusion embrittlement
on creep crack growth of Ni-base superalloys, in: Fatigue and Fracture at Elevated Temperatures, A. Nager
(Hg.), American Society of Mechanical Engineers, New York, 1995, 225-254.
[2]
Wei, R.; Miller, C.; Huang, Z.; Simmons, G., Harlow, D.: Oxygen enhanced crack growth in nickel-based
superalloys and materials damage prognosis. Engineering Fracture Mechanics 76 (2009), 715–727.
[3]
Krupp, U.; Wagenhuber, E.-G.; Kane, W., McMahon, C.: Improving resistance to dynamic embrittlement and
intergranular oxidation of nickel based superalloys by grain boundary engineering type processing. Material
Science and Technology 21 (2005), 1247–1254.
[4]
Krupp, U.: Arbeitsbericht zum Forschungsvorhaben KR1999/7-1. Quasispröde zeitabhängige Rissausbreitung
während Hochtemperaturermüdung der Nickelbasis-Superlegierung IN718 – Einflüsse der Mikrostruktur und
Beanspruchungsbedingungen.
[5]
Krupp, U.: Dynamic embrittlement - time dependet quasi-brittle intergranular fracture at high temperatures.
International Materials Review 50 (2005), 83–97.
[6]
American Society For Testing and Materials: Standard Test Method for Measurement of Fatigue Crack Growth
Rates, ASTM International, West Conshohocken, Pa., 2008.
[7]
Wei, R., Brazill, R.: An assessment of A-C and D-C potential systems for monitoring fatigue crack growth, in:
Fatigue Crack Growth Measurement and Data Analysis.ASTM STP 738, S.J. Hundak, Jr. und R.J. Bucci (Hg.),
American Society For Testing and Materials, Philadelphia, 1981, 103–119.
[8]
Matelect: The ACPD Technique: A User Manual. For use with Matelect ACPD products.
[9]
Černý, I.: The use of DCPD method for measurement of growth pf cracks in large components at normal and
elevated temperatures. Engineering Fracture Mechanics 71 (2004), 837–848.
[10]
Wojcik, A.G.: Potential Drop Techniques for crack characterisation. Materials world: The Journal of the Institute
of Materials 3 (1995), 379–381.