Samenvatting

Gasturbines worden op grote schaal gebruikt voor het opwekken van elektriciteit en de
voortstuwing van vliegtuigen en schepen. De zwaarst belaste onderdelen in deze
motoren, de turbine rotor bladen, worden gemaakt van éénkristallijne nikkel
superlegeringen. Het superieure hoge temperatuur gedrag van deze materialen wordt
toegeschreven aan de speciale microstructuur, bestaande uit twee fasen: een g-matrix
(Ni) met daarin een grote volume fractie g'-deeltjes (Ni3Al). Tijdens het gebruik van de
gasturbine veranderen de oorspronkelijk kubische precipitaten in het materiaal via een
diffusieproces in langgerekte platen. Dit degradatieproces wordt 'rafting' genoemd.
In dit onderzoek is een micromechanisch materiaalmodel ontwikkeld dat
specifiek rekening houdt met de morfologie van de microstructuur en de
veranderingen die daarin optreden. Daarbij wordt het materiaal op meerdere niveaus of
lengteschalen gemodelleerd, een zogenaamde multiscale aanpak. Op de
macroscopische schaal wordt het engineering niveau beschreven waarop een eindige
elementen berekening wordt uitgevoerd. De mesoscopische schaal representeert de
microstructuur in een macroscopisch materiaalpunt. Op dit niveau wordt het materiaal
beschouwd als een mengsel van twee verschillende fasen, die samen een hier specifiek
voor dit materiaal ontwikkelde eenheidscel vormen. De microscopische schaal bevindt
zich op het niveau van het kristalrooster van de individuele fasen. Op dit niveau wordt
het materiaalgedrag van de twee fasen beschreven.
De gepresenteerde eenheidscel bevat speciale grensvlak regio's, die de
gradiënten in plastische rek herbergen. In deze grensvlakregio's ontwikkelen zich
interne spanningen, enerzijds onder invloed van de rekgradiënten en anderzijds ten
gevolge van de kleine afwijking in roosterafstand tussen beide fasen. De beperkte
omvang van de eenheidscel en de micromechanische vereenvoudigingen zorgen er
voor dat het model vooral in een multiscale aanpak efficiënt werkt. De respons van de
eenheidscel wordt in een eindige elementen analyse op het niveau van een
materiaalpunt numeriek opgelost. Deze aanpak is qua rekentijd veel efficiënter dan een
eenheidscel die met behulp van eindige elementen in detail is gediscretiseerd.
Het gedrag van de matrix fase wordt gesimuleerd met een kristalplasticiteitsmodel
dat rekgradiënten in rekening brengt. In dit model beïnvloeden nietuniform
verdeelde geometrisch noodzakelijke dislocaties (GNDs), die het gevolg zijn
van rekgradiënten in de grensvlakregio’s, het verstevigingsgedrag van het materiaal.
Verder is in de verstevigingswet speciaal voor dit twee-fasen materiaal een drempelterm
toegevoegd die gerelateerd is aan de Orowan spanning. Voor de precipitaatfase zijn de
dislocatiemechanismen die het doorsnijden en het omklimmen van de precipitaten
beschrijven in het model meegenomen. Bovendien zijn het typische anomale
vloeigedrag van Ni3Al-intermetallische verbindingen en andere non-Schmid effecten
geïmplementeerd en wordt hun effect op het mechanisch gedrag van de superlegering
gedemonstreerd.
Vervolgens wordt er een schademodel gepresenteerd dat tijdsafhankelijke en
cyclische schade integreert in één schaderegel. Er wordt een criterium op basis van de
Orowan spanning geïntroduceerd om het omkeren van de sliprichting op microniveau
te detecteren. De cyclische schadeopbouw wordt vervolgens gekwantificeerd met
behulp van het dislocatie immobilisatie mechanisme. Verder wordt de interactie tussen
tijdsafhankelijke en cyclische schadeopbouw in het model meegenomen. Simulaties
voor een groot aantal belastingscondities laten vervolgens zien dat de resultaten goed
overeenkomen met experimentele resultaten.
De degradatie van de microstructuur ten gevolge van rafting en vergroving wordt
gemodelleerd door het definiëren van evolutievergelijkingen voor een aantal
microstructurele afmetingen. Deze vergelijkingen zijn consistent met een reductie van
de interne energie, die vaak wordt gezien als de drijvende kracht achter het
degradatieproces. De mechanische respons van het gedegradeerde materiaal wordt
gesimuleerd en er wordt aangetoond dat er overeenstemming is tussen de simulaties
en de trends die in experimenten worden waargenomen.
Tenslotte wordt gedemonstreerd dat het model geschikt is voor multiscale
analyses door toepassing van de methode in eindige elementen analyses op een
gasturbine blad. Dit toont aan dat veranderingen in de microstructuur het mechanisch
gedrag van gasturbine componenten aanzienlijk beïnvloeden.