Ermüdungsschädigung in gealterten Gasturbinenschaufeln

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird die bauteil- und alterungsabhängige Rissausbreitung in Gasturbinenschaufeln der polykristallinen Gusslegierung Inconel 738LC sowohl bei Raumtemperatur als auch bei 700°C analysiert. Für die Untersuchungen stand eine Sammlung von geometrisch gleichen Gasturbinenschaufeln mit unterschiedlich langen Einsatzzeiten in Kraftwerken zur Verfügung. Durch eine Gefüge- und Rissanalyse an den vorliegenden Turbinenschaufeln wird gezeigt, dass die Rissausbreitung unter thermischer und mechanischer Belastung in einem grobkörnigen Gussgefüge nur eingeschränkt mit der linear-elastischen Bruchmechanik beschrieben werden kann. Das Risswachstum ist vielmehr in hohem Maße von der lokalen Mikrostruktur, dem Grad der Werkstoffalterung und den lokalen Gegebenheiten an der Rissspitze abhängig. Dies hat zur Folge, dass sich Werkstoffkennwerte, die an konventionellen, feinkörnigen Laborproben ermittelt wurden, nicht auf den vorliegenden Schaufelwerkstoff übertragen lassen. Zunächst wird eine Versuchsmethodik entwickelt, die bruchmechanische Untersuchungen mit direkt aus Turbinenschaufeln entnommenen, miniaturisierten Werkstoffproben gestattet. Durch diese Vorgehensweise können die tatsächlichen Auswirkungen der betriebsbedingten Werkstoffalterung und der charakteristischen Mikrostruktur auf das Risswachstum analysiert werden. Die Risswachstumsversuche liefern alterungs- und temperaturabhängige Risswachstumsdaten und ermöglichen außerdem die Identifikation der relevanten Schädigungsmechanismen durch postexperimentelle Korrelationsbetrachtungen zwischen den Risswachstumskurven und den zugehörigen Risspfaden. Dabei liegt der Fokus sowohl auf lokalen als auch auf globalen werkstofflichen Veränderungen durch den Langzeitbetrieb und den daraus resultierenden alterungsabhängigen Wechselwirkungen von Rissausbreitungsgeschwindigkeit und Mikrostruktur. Zusätzlich zu den Untersuchungen an Laborrissen werden im Anlagenbetrieb entstandene Risse mit hochauflösender Rasterelektronenmikroskopie analysiert. In diesem Zusammenhang wird ein bisher in der Literatur unbekannter Schädigungsmechanismus beschrieben, der auf der Rekristallisation in der plastischen Zone vor der Rissspitze beruht und besonders für Turbinenschaufeln mit Wärmedämmschichten von Bedeutung ist. Der Schädigungsprozess sowie die relevanten Einflussparameter werden auf Basis mehrerer Hochtemperaturversuche identifiziert und der Einfluss auf das Risswachstum ermittelt.