Forschung

carolin.zinn@uni-siegen.de

+49 271 740 5452

Nach allgemeiner wissenschaftlicher Erkenntnis ist es nicht möglich, die Ursache für eine Veränderung der Wellenausbreitung in Faser-Metall-Laminaten (FML) eindeutig zu bestimmen, wenn verschiedene Umgebungsbedingungen und eine sich ändernde interlaminare Beanspruchung gleichzeitig auf das Guided Ultrasonic Waves (GUW) Structural Health Monitoring (SHM) System einwirken. Daher werden in diesem Teilprojekt der Forschergruppe FOR 3022 die Auswirkungen einzelner relevanter Zustandsmerkmale systematisch untersucht, um geeignete Kompensationsverfahren zu entwickeln und damit eine zuverlässige Schadenserkennung zu ermöglichen. Mit experimentellen Methoden wird ein Zusammenhang zwischen Wellenausbreitung und Schädigung hergestellt sowie der Einfluss von thermischen Effekten oder interlaminaren Vorspannungen, die insbesondere durch prozessbedingte Eigenspannungen bei der Herstellung induziert werden, ermittelt. Diese Eigenspannung beschreibt einen inneren Spannungszustand, der durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten in einem FML verursacht wird und zu einer Vorspannung der einzelnen Schichten führt. Untersucht werden Glaslaminat-Aluminium-verstärkte Epoxid- (GLARE) und Kohlenstofffaser-verstärkte Polymer- (CFK) Stahl-Laminate. Im Hinblick auf die Unterschiede in der Steifigkeit und den thermischen Eigenschaften stellen diese beiden FML Extremfälle im betrachteten Verhalten dar. Unterstützende Nachweismethoden auf der Basis von Röntgen- und Computertomographie (CT) oder Ultraschallprüfung (UT) mit Volumenwellen werden an der Universität Siegen in Zusammenarbeit mit der Universität Bremen und der TU Braunschweig eingesetzt, um einen eindeutigen Zusammenhang zwischen Wellenausbreitung, Eigenspannungen und Schädigungsmerkmalen zu erhalten. Die spezifischen Schädigungsmerkmale werden im anderen Teilprojekt zur Validierung des Simulationsmodells verwendet und fließen in die entwickelten maschinellen Lernverfahren ein. Ziel der durchgeführten Untersuchungen ist es, ein fundiertes Verständnis dafür zu erlangen, wie unterschiedliche Bedingungen und Aufprallschäden die Ausbreitung von GUW in FML beeinflussen. Abb. 1 veranschaulicht diesen Ansatz

Projektbeteiligte:



Förderung:

chirag.shah@uni-siegen.de

+49 271 740 3422

Im Gegensatz zur Rissinitiierung und Langrissausbreitung ist die Ausbreitung mikrostrukturell kurzer Risse in martensitischen Federstählen noch weitgehend unerforscht. Entsprechend liegen auch keine Erkenntnisse zum Einfluss der im Bauteil auftretenden Eigenspannungen auf diese Phase der Werkstoffschädigung vor. Damit ist die technische Anrissphase, welche im HCF-Bereich mehr als 90% der Lebensdauer ausmachen kann, noch nicht modellhaft beschrieben worden und entzieht sich damit dem allgemeinen Verständnis. Das Vorhaben zielt darauf ab, die Mechanismen der Werkstoffschädigung martensitischer Federstähle durch Kurzrisswachstum im Detail aufzuklären und eine materialwissenschaftlich begründete Nachbildung des Wachstumsverhaltens von Ermüdungskurzrissen im Rahmen einer mechanismenorientierten Modellierung auf Basis der Randelementemethode zu erarbeiten. So wird eine Grundlage für das Verständnis der metallphysikalischen Vorgänge in eigenspannungsbehafteten, martensitischen Federstählen unter zyklischer Beanspruchung mit uniaxialen sowie biaxialen, ebenen Spannungszuständen im HCF-Bereich geschaffen. Auf Basis dieser Ergebnisse soll eine bessere Lebensdauervorhersage für martensitische Federstähle ermöglicht werden, was eine anwendungsorientierte Absicherung der Betriebssicherheit und eine höhere Werkstoffausnutzung erlaubt.

Projektbeteiligte:

Robert Brandt, Prof. Dr. rer. nat., Lehrstuhl für Werkstoffsysteme für den Fahrzeugleichtbau, Institut für Werkstofftechnik, Universität Siegen
Claus-Peter Fritzen, Prof. Dr.-Ing., Arbeitsgruppe Technische Mechanik, Institut für Mechanik und Regelungstechnik – Mechatronik, Universität Siegen

Förderung:

DFG

anna.wildeis@uni-siegen.de

+49 271 740 4744

Die Entwicklung der Ermüdungsschädigung in metallischen Werkstoffen kann im Stadium vor dem Vorliegen eines Risses bisher nur mit zeitaufwendigen und meist zerstörenden Verfahren bestimmt werden. Eine Charakterisierung der vorliegenden Mikrostruktur im Hinblick auf Versetzungsanordnungen würde aber eine Voraussage der restlichen Lebensdauer unterstützen. In dem vorgestellten Projekt wird deswegen ein Ansatz verfolgt, der mithilfe Laue-Beugung die mikrostrukturellen Änderungen zerstörungsfrei innerhalb kürzester Zeit ermitteln kann. Dazu wird weißes Röntgenlicht und ein energiedispersiver Flächendetektor verwendet, wodurch eine orts- und energieaufgelöste Messung möglich ist. Die Verbreiterung der gemessenen Röntgenreflexe korreliert direkt mit der Versetzungsdichte des Werkstoffs und somit auch mit der vorhandenen Ermüdungsbeanspruchung.

Projektbeteiligte:

M. Shokr,
Prof. Dr. U. Pietsch,
Prof. Dr.-Ing. H.-J. Christ

Förderung:

DFG

carolin.leidigkeit@uni-siegen.de

+49 271 740 4691

Es ist bekannt, dass die Versagensmechanismen bei HCF und VHCF völlig unterschiedlich sind. HCF wird durch PGB-induzierte Risskeimbildung von der Oberfläche aus dominiert. Das VHCF-Verhalten wird strikt durch den Materialzustand bestimmt. Einphasige (fcc) duktile Werkstoffe werden als Typ-I klassifiziert, bei denen die Rissbildung hauptsächlich von der Oberfläche ausgeht, da die Oberfläche durch irreversible Gleitprozesse aufgeraut wird. Dies ist der Fall, wenn die makroskopische Spannung weit unter der klassischen Ermüdungsgrenze liegt und die Rissentstehung durch Bildung eines Persistenten Gleitbandes oder PGB (Dehnungslokalisierung) nicht möglich ist. Andererseits wird die Rissentstehung unterhalb der Oberfläche hauptsächlich durch das Vorhandensein von nichtmetallischen Einschlüssen im Material bestimmt, die als Typ-II klassifiziert werden (meist hochfeste Stähle).

Vor diesem Hintergrund ist geplant, das VHCF-Verhalten von austenitischem nichtrostendem Stahl des Typs 304 (der üblicherweise als Konstruktionswerkstoff in Bauteilen verwendet wird) unter zwei Bedingungen zu untersuchen: i) im geglühten Zustand, in dem sich das Material wie Typ-I verhält, wobei das Versagen durch von der Oberfläche ausgehende Risse ausgelöst wird, und ii) im vorverformten Zustand, in dem dehnungsinduzierter Martensit in das Material eingebracht wird, der die Kerbempfindlichkeit im Inneren des Materials bei VHCF-Zyklen erhöhen kann, wodurch die interne Rissauslösung erleichtert wird (Typ-II-Verhalten). Die Untersuchung wird dazu beitragen, den unterschiedlichen Versagensmechanismus für die verschiedenen Materialbedingungen zu verstehen und die konventionelle Auslegungskurve im Lichte der vorliegenden Prüfdaten neu zu erstellen. Die aus der Studie gewonnenen Informationen werden daher für die Gewährleistung der strukturellen Integrität von Bedeutung sein und wichtige Design-Inputs liefern.

aritra.sarkar@uni-siegen.de

+49 271 740 4691

Die Legierung 718Plus bietet nicht nur optimale Eigenschaften bei Raum- und Hochtemperatur, sondern auch eine Kombination aus guter Umformbarkeit und Schweißbarkeit, weshalb sie als potenzieller Ersatz für handelsübliche Superlegierungen für Turbinenscheibenanwendungen dienen kann. Die Eigenschaften von 718Plus sind zwar bei höheren Temperaturen mit denen kommerzieller Legierungen vergleichbar, nehmen jedoch bei längeren Haltezeiten drastisch ab. Es wurden zahlreiche Versuche unternommen, um die Leistung zu verbessern, aber eine systematische Studie über die Rolle der Größe der verfestigenden Ausscheidungen, ihre Größenverteilung und ihre Auswirkungen auf die Schadensmechanismen steht noch aus. Synergieeffekte durch Korngrenzenausscheidungen (δ) und Wechselwirkungen mit der Umgebung sind bisher immer vorhanden gewesen. Eine Veränderung der Größe, des Volumenanteils und der Verteilung von γ‘-Ausscheidungen kann das Verhalten von LCF und CFI verbessern. Um die Auswirkungen der veränderten Mikrostruktur auf die Rissausbreitung zu ermitteln, werden die Proben auch Rissausbreitungstests unter verschiedenen Umgebungsbedingungen unterzogen, um Synergieeffekte zu ermitteln. Um die Auswirkungen der modifizierten Mikrostruktur auf die LCF-Lebensdauer des Materials zu verstehen, muss die Delta-Ausscheidung an den Korngrenzen vermieden werden. Das Hauptziel dieses Projekts besteht darin, die Auswirkungen der Ermüdung bei niedrigen Zyklenzahlen und der Wechselwirkung zwischen Kriechen und Ermüdung auf die Lebensdauer von Legierungen mit modifiziertem Gefüge zu ermitteln und die beteiligten Schadensmechanismen zu verstehen. Dies könnte neue Erkenntnisse liefern, um die Legierung weiter zu modifizieren, um eine bessere und effizientere Eigenschaften zu erzielen. Standardproben aus 718Plus werden ebenfalls demselben Prüfplan unterzogen, um eine vergleichende Datenbasis zu schaffen. Die Transmissionselektronenmikroskopie wird eingesetzt, um die Versetzungsinteraktionen und die Bildung von Unterstrukturen unter Testbedingungen besser zu verstehen und Struktur-Eigenschafts-Korrelationen zu erstellen, um das Verhalten des Materials in verschiedenen Betriebssituationen vorherzusagen.

Projektbeteiligte:

Prof. Dr.-Ing. H.-J. Christ (LMW)
Prof. Dr. rer. nat. Robert Brandt (LWF)(Universität Siegen, Germany)
Prof. S. Sankaran (IIT Madras, India)

Förderung:

DAAD Bi-nationally Supervised Doctoral Degree Program

barun.dash@uni-siegen.de

+49 271 740 3419

Refraktärmetallbasierte Multikomponentenlegierungen (RHEAs) gelten als vielversprechende Kandidaten für Hochtemperaturanwendungen. RHEAs bestehen aus fünf oder mehr Elementen in nahezu äquiatomarer Konzentrationen. Die Legierung Ta-Mo-Cr-Ti-Al besitzt ein mehrphasiges Gefüge, welches sich aus einer geordneten B2-Matrix sowie einer intermetallischen Laves Phase zusammensetzt. Das Projekt zielt auf die Entwicklung von Legierungen im System Ta-Mo-Cr-Ti-Al mit einer A2 Matrix und großen Volumenanteilen an geordneten B2 Ausscheidungen ab um ausgewogene Eigenschaften in Bezug auf Duktilität bei Raumtemperatur, Kriechbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen und Oxidationsschutz zu erzielen. Um diese Ziele zu erreichen sind legierungstechnische Maßnahmen geplant, die darauf abzielen, die Ausbildung spröder intermetallischer Phasen zu unterdrücken und gleichzeitig die intrinsische Duktilität der Matrix zu erhöhen. Die Legierungsentwicklung basiert auf thermodynamischen Berechnungen sowie auf experimentellen Analysemethoden.

Projektbeteiligte:

Universität Siegen,
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

steven.schellert@uni-siegen.de

+49 271 740 4660

Um die Effizienz von Gasturbinen in Zukunft weiter steigern zu können, bedarf es neuer Hochtemperaturwerkstoffe mit verbessertem Temperaturpotential und geringerem spezifischen Gewicht. Mo-Si-B-Legierungen, die gute mechanische Hochtemperatureigenschaften besitzen, bieten bei diesen Anwendung ein hohes Potential. Es ist offensichtlich, dass SiO2-bildende Schutzschichten für Langzeiteinsätze benötigt werden. Werden diese Werkstoffe in der schnell strömenden Verbrennungsatmosphäre von Gasturbinen eingesetzt, muss SiO2 gegen Wasserdampfkorrosion mittels Environmental Barrier Coatings geschützt werden, was die Aufbringung einer entsprechenden keramischen EBC-Deckschicht erfordert. Ferner ist das Oxidationsverhalten des Substratmaterials bzw. seine Vorbehandlung soweit zu ertüchtigen, dass ein Abplatzen der Oxidationsschutzschicht nicht zu einem Totalausfall der Komponente führt. Das übergeordnete Ziel dieses Vorhabens ist demzufolge die Entwicklung einer technisch einsetzbaren Mo-Si-B-Ti-Legierung mitsamt einem Beschichtungssystem (Abbildung), das in einem breiten Temperaturbereich sowohl in trockenen als auch in feuchten Atmosphären einen dauerhaften Schutz bietet.

Projektbeteiligte:

Universität Siegen,
Karlsruher Institut für Technologie,
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt



Förderung:

Deutsche Forschungsgemeinschaft

matthias.weber@uni-siegen.de

+49 271 740 4660

Hochtemperaturwerkstoffe sind in der Entwicklung von Flugzeuggasturbinen essenziell. Die gewählten Werkstoffe müssen bei Temperaturen von über 1000°C hohen mechanischen und korrosiven Beanspruchungen standhalten. Durch anwachsende Anforderungen, rücken Legierungen auf Basis von Refraktärmetallen immer mehr in den Fokus. Eine lukrative und interessante Alternative zu den bisher verwendeten Werkstoffen könnte das Element Vanadium bieten. Im Rahmen des Projektes soll ein umfassendes Verständnis des Systems Vanadium-Silizium-Bor gewonnen werden. Dies beinhaltet die Phasenentstehung und -umwandlung während der Erstarrung, sowie die Phasenstabilität und Umwandlungen im Gleichgewicht. Hierzu wurde eine thermodynamische Datenbank erstellt, welche in Wechselwirkung mit den gewonnenen Ergebnissen aus den verschiedenen Legierungen stetig optimiert und angepasst wird.

Projektbeteiligte:

Prof. Dr.-Ing. Bronislava Gorr
Prof. Dr.-Ing. Hans-Jürgen Christ
Weiguang Yang, M.Sc.
Dr.-Ing. Georg Hasemann
Prof. Dr.-Ing. habil. Manja Krüger


Förderung:

Deutsche Forschungsgemeinschaft

mustafa.yazlak@uni-siegen.de

+49 271 740 3422

Technische Bauteile sind wachsenden Anforderungen bezüglich Haltbarkeit und Zuverlässigkeit ausgesetzt und sollen gleichzeitig nachhaltig erzeugt und konstruiert werden. Dies macht die Entwicklung thermochemischer Prozesse nötig. Titanlegierungen (Ti) verfügen über eine vergleichsweise hohe Gaslöslichkeit und ermöglichen eine temporäre Wasserstoff-Beladung, im Englischen Thermohydrogen Treatment (THT) genannt. THT ruft Gitterverformungen hervor und verringert die β-Umwandlungstemperatur. Das Forschungsvorhaben beabsichtigt die Realisierung einer lokalen Gefüge-Anpassung mittels THT durch Veränderung der Mikrostruktur in Abhängigkeit vom Abstand zur Oberfläche (Gefügegradient), welche die Ermüdungseigenschaften, verglichen mit konventionell erzeugten Ti-Mikrostrukturen, verbessern soll.

christopher.schmidt@uni-siegen.de

+49 271 740 4691