Einfluss der Wärmebehandlung und Alterung auf die Mikrostruktur und Lebensdauer von Alloy 617B

2018

In kürzlich abgeschossenen Forschungsvorhaben wurden Untersuchungen zur Hochtemperatur­verformung und Lebensdauer unter zyklischer Belastung der Legierung Alloy 617B an verschiedenen Materialzuständen durchgeführt. Durch begleitende metallographische Untersuchungen wurde ein verbessertes Verständnis der Mikrostruktur und deren Veränderung infolge thermischer und thermisch-mechanischer Belastung erarbeitet. Zum verbesserten Werkstoffverständnis tragen jedoch auch eine umfangreiche Literaturstudie zur Legierung Alloy 617 und zahlreiche weitere Untersuchungen unter isothermen und anisothermen zyklischen Belastungen sowie unter Kriechermüdungs- und reinen Kriechbelastungen bei. Auf Basis des verbesserten Werkstoffverständnisses konnten vorliegende Werkstoffmodelle um Mikrostrukturterme erweitert und deren Parameter so angepasst werden, dass in Abhängigkeit von Materialausgangszustand und Belastung, die Verformung und Lebensdauer der Legierung Alloy 617B mit guter Genauigkeit vorhergesagt werden kann.

In Bild 1 ist beispielhaft gezeigt, wie sich die Mikrostruktur und dadurch auch die Festigkeit eines lösungsgeglühten Ausgangsmaterials infolge thermischer Auslagerung bei 600 °C bis 900 C für Dauern von bis zu 1080 h ändern. Erste wesentliche Veränderungen des Werkstoffverhaltens in einem zyklischen Versuch zeigen sich nach einer Auslagerungsdauer von 120 h. In TEM-Aufnahmen der für 120 h bei 700 °C ausgelagerten Probe lassen sich bereits im Hellfeld deutlich Ausscheidungen erkennen (Bild 1c). Im Beugungsbild in Richtung der [110]-Zonenachse eines repräsentativen Bereichs im Korninnern sind neben den Reflexen der γ-Matrix auch Reflexe von M23C6 und Ausscheidungen der γ'-Phase nachweisbar (Bild 1d). Die Karbide scheiden sich meist an Versetzungen aus, während die Ausscheidungen der γ'-Phase homogen im Korn verteilt erfolgt. Nach einer Auslagerungsdauer von 1080 h bei 700 °C lassen sich im Vergleich zur Auslagerung von 120 h gröbere Ausscheidungen an Zwillingsgrenzen finden. Die Festigkeit hat sich im Vergleich zur 120 h Auslagerung weiter erhöht und ist im Vergleich zum lösungsgeglühten Ausgangszustand um mehr als das Doppelte angestiegen. Im Gegensatz zur Auslagerung bei 700 °C steigt die Festigkeit nach Auslagerung bei 600 °C, 800 °C und 900 °C zwar stetig, aber deutlich weniger stark mit zunehmender Auslagerungsdauer an.

Bild 2 zeigt den gemessenen Verlauf der Maximalspannungen zu Beginn zyklischer Versuche nach unterschiedlichen thermischen Auslagerungen zusammen mit den Vorhersagen des Ausscheidungsmodells nach Parameteranpassung. Die durch mikrostrukturelle Veränderungen bedingten Spannungserhöhung infolge der thermischen Auslagerung von Alloy 617B können gut durch das Ausscheidungsmodell beschrieben werden.

Bild 3 zeigt ein Lebensdauerschaubild für Alloy 617B auf Basis des am Fraunhofer IWM entwickelten DTMF Schädigungsparameters. Im Schaubild enthalten sind mehr als 200 LCF-Versuche, teilweise mit langsamen Belastungsraten, mit und ohne Haltezeiten bei Temperaturen zwischen Raumtemperatur und 900°C sowie 27 TMF-Versuche an Alloy 617B/occ aus verschiedenen Chargen, Produktformen und Wärmebehandlungen. Alle Versuche lassen sich mit dem DTMF Lebensdauermodell innerhalb eines Faktor 2 Streubands beschreiben, mit Ausnahme einzelner Versuche.

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