Ausgezeichnete Rissforschung – Wissen wann der Riss gefährlich wird

Versuch zur Messung des thermomechanischen Ermüdungsrisswachstums / Bildquelle: Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM, Achim Käflein

Dr. Christoph Schweizer erhält für seine Leistungen zur Modellierung thermomechanischer Wechselbelastungen metallischer Werkstoffe die silberne Ehrennadel des Deutschen Verbands für Materialforschung und -prüfung DVM. Der Leiter der Gruppe „Lebensdauerkonzepte, Thermomechanik“ am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM hat eine Methode entwickelt, um das Wachsen von Rissen in Werkstoffen, die starker thermischer und mechanischer Belastung ausgesetzt sind, zu bewerten.

Mit seinen Rissfortschrittsmodellen simuliert Christoph Schweizer das Wachstum von Ermüdungsrissen bei Belastungen, wie sie bei Hochtemperaturkomponenten von Flugzeug- oder Kraftwerksturbinen auftreten. Damit bestimmt er wie lange es dauert, bis zunächst unkritische Mikrorisse so groß sind, dass sie die Funktion des Bauteils beeinträchtigen und dieses ausgewechselt werden muss. In Gasturbinen herrschen schwankende, hohe Temperaturen – hier ändern sich die Werkstoffeigenschaften im Bauteil ständig. Die Werkstofftemperatur variiert dort zwischen Raumtemperatur und mehr als 800 Grad Celsius. Die Festigkeit der in den Gasturbinen eingesetzten Nickelbasis Superlegierungen fällt jedoch oberhalb von etwa 750 Grad Celsius ab: Gleichzeitig hängt die plastische Verformbarkeit der Werkstoffe von der Zeit ab. Diese zeitabhängige Verformung wird als Kriechen bezeichnet und kann das Ermüdungsrisswachstum zusätzlich beschleunigen. Die mit den Temperaturschwankungen verbundenen Festigkeitsänderungen und die Kriechermüdung bezieht Schweizer in seine Werkstoffmodelle mit ein, anders als in den weit verbreiteten Standardmodellen.

Nicht nur dadurch sind die thermomechanischen Werkstoffsimulationen am Fraunhofer IWM exakter als üblich. Die Modelle verknüpfen die grundlegenden wirksamen Mechanismen des Ermüdungsrisswachstums mit der Bruchmechanik, die in der Industrie ein anerkanntes Instrument zur Festigkeitsbewertung darstellt. Durch diese Herangehensweise sind die thermomechanischen Werkstoffmodelle auch für die Simulation von Bauteilen geeignet und können auf virtuelle Weise die Auswirkungen von Belastungen vorhersagen, die nicht immer im Laborversuch untersucht werden können.

Mit den Ergebnissen solcher Simulationsrechnungen können Turbinenhersteller oder Kraftwerksbetreiber besser verstehen, welche Faktoren die Mikrorisse im Bauteil tatsächlich beeinflussen. Sie können Inspektionsintervalle exakter festlegen oder bei Rissbefunden durch die Bewertung der Restlebensdauer Betriebskosten sparen. Denn nicht jeder gefundene Riss führt automatisch zu einem baldigen Versagen der teuren Komponenten. Für zukünftige effizientere Turbinengenerationen bekommt das Thema „Fehlertoleranz“ eine immer wichtigere Bedeutung, da mehr Effizienz nur durch höhere Temperaturen und größere Belastungen erkauft werden kann. Für diese Untersuchungen ist die Geometrie des betreffenden Bauteils zweitrangig: Die Wissenschaftler müssen den Werkstoff selbst verstehen und die mechanischen und thermischen Belastungen während des Betriebs kennen. Die Expertinnen und Experten bestimmen mit Versuchen an Materialproben zunächst die Materialkennwerte. Mit diesen Kennwerten passen sie die Finite Elemente Modelle an und berechnen so das Ermüdungsrisswachstum während des Betriebs.

Die DVM-Ehrennadel in Silber erhalten Ingenieur- und Naturwissenschaftlerinnen und -wissenschaftler bis zur Vollendung des 40. Lebensjahres für herausragende technisch-wissenschaftliche Leistungen auf dem Gebiet der Materialforschung und -prüfung. Die DVM zeichnet damit Materialexpertinnen und -experten aus, die auch zukünftig wesentliche Arbeitsergebnisse erwarten lassen.

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