Volume 47, Issue 10

Advanced film cooling technologies for hot gas path components in gas turbine engines with still constantly increasing inlet temperatures require special manufacturing processes. Today, laser radiation is the preferred means of drilling a large number of small-diameter cooling holes in turbine parts made of nickel-base superalloys. Most of these materials, however, exhibit a relatively high susceptibility to hot cracking in the heat affected zone (HAZ) adjacent to the recast layer. Comprehensive metallographical examinations have been performed to optimise laser drilling parameter settings to minimize hot cracks. In the case of René 80, there seems to be a pronounced microstructural influence on hot cracking sensitivity, i.e. identical laser parameters may produce quite different crack lengths, dependent upon local microstructure in the immediate vicinity of the drilled hole. Grain size, grain boundary morphology and orientation, and primary carbide distribution apparently have a significant influence. These interdependencies should be taken into account when acceptable crack lengths are specified. As far as conventionally investment cast components are concerned, influencing local microstructural features with economically viable effort may be unrealistic.

The determination of stress intensity factors for specimens with pre-cracks is important in fracture analysis. In this paper, the evaluation of stress intensity factors of modes I and II for compact tension specimens is presented. A 3-D finite element analysis (FEA) model using the ANSYS program is constructed for specimens made of different bio-medical materials such as stainless steel, titanium, alumina, high density polyethylene (HDPE) and polymethyl methacrylate (PMMA). Such materials are used for hip and knee replacement and for dental implants. The effects of notch angle, notch tip radius and pre-crack length on the stress intensity factor are studied. The number of elements along the crack front and crack tip is considered and has been varied to determine its effect on the value of the stress intensity factor. It is concluded that, in order to evaluate the reasonable values for the stress intensity factor, the pre-crack lengt should be greater than 10% and 33% of the total crack lengt for modes I and II, respectively. The results for the stress intensity factors K I and K II are obtained using a linear elastic fracture mechanics (LEFM) approach.

In this paper, the results for the stress intensity factor of a mode III (tearing mode) have been investigated using the method of finite element analysis. A compact tension specimen containing a pre-crack and subjected to out-of-plane tearing loads has been used. A three-dimensional finite element analysis (FEA) model using the ANSYS program has been built for specimens made of different bio-medical materials such as stainless steel, titanium, alumina, high density polyethylene(HDPE) and polymethyl methacrylate(PMMA). Such materials are used for hip and knee replacement and for dental implants. The effects of notch angle, notch tip radius and pre-crack length on the stress intensity factor for the mode III have been studied. The model was extended to study the effect of crack and bonding line separation distance on stress intensity factors for specimens made of different homogeneous materials such as stainless steel bonding with epoxy as a filler material. The number of elements along the crack front and crack tip has been varied to determine its effects on the stress intensity factors. It is concluded that the pre-crack must be greater than or equal to 33% of the total crack lengt and the notch must be a blunt notch in order to obtain the stress intensity factor, K II I , independently, of the crack notch angle. However, the stress intensity factor is independent of the crack and bonding line separation distance when it is less than or equal to 15% of the specimen width. The results for the stress intensity factors, K II I , are obtained using a linear elastic fracture mechanics (LEFM) approach.

Kurzfassung Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Umlaufbiegeversuche und axiale Ermüdungsversuche an den Implantatwerkstoffen cp-Ti grade 2 und TiAl6Nb7, deren Oberflächen mit Hilfe thermischer sowie anodischer Oxidation modifiziert wurden, in Ringerlösung durchgeführt. Das Wechselverformungsverhalten sowie ermüdungsbedingte Oberflächenschäden wurden durch den zeitlichen Verlauf des freien Korrosionspotentials bzw. des Korrosionsstromes charakterisiert. Zusätzlich wurde die Veränderung der Grenzflächenimpedanz in Abhängigkeit des Ermüdungszustandes erfasst. Mit Hilfe rasterelektronenmikroskopischer Methoden wurden beanspruchungsbedingte mikrostrukturelle Veränderungen an der Oberfläche mit den Ergebnissen der elektrochemischen Messungen korreliert.

Kurzfassung In umfangreichen Untersuchungen wurden die relevanten Einflüsse auf das zyklische Verformungs- und Lebensdauerverhalten ermittelt. Dabei kamen zwea unterschiedliche Prüfverfahren zur Bestimmung der Lebensdauer unter thermomechanischer Beanspruchung zur Anwendung. Diese werden im vorliegenden Beitrag sowohl mittels Versuchen als auch mittels FE-Simulationen verglichen. Dabei zeigt sich, dass Versuche mit starr eingespannten, zyklisch beheizten Proben unter Berücksichtigung der lokalen Effekte mit Versuchen des servohydraulischen TMF-Prüfstandes mit Dehnungs- und Temperaturregelung vergleichbar sind. Weiters werden zur Modellierung des Lebensdauerverhaltens unterschiedlich komplexe Ansätze gegenübergestellt. Die verwendeten Verfahren reichen von einparametrigen Ansätzen bis zum Schädigungsmodell nach Sehitoglu mit mehr als 20 Parametern. Abhängig von Material und Anwendung zeigt sich jeweils ein anderes Kriterium als besser geeignet. Energiekriterien scheinen den besten Kompromiss aus Genauigkeit und Aufwand im Einsatz darzustellen. Größere Abweichungen treten auf, wenn sich die beteiligten Schädigungsmechanismen ändern. Liegen beispielsweise lokal In-Phase-TMF-Belastungen mit einer zusätzlichen Kriechschädigung vor, so kann dies bei der Verwendung von Energiekriterien, die auf Basis von LCF- und OP-TMF-Versuchen kalibriert wurden, zu nichtkonservativen Aussagen führen.

Kurzfassung Mittels ECAP-Umformung wurden unterschiedliche submikrokristalline Verformungszustände an Reinaluminium Al99,7 und der Aluminiumlegierung AlMg0,5Si bei Raumtemperatur erzeugt und mittels Zugprüfung, Härtemessung und Licht- bzw. Rasterelektronenmikroskopie untersucht. Entgegengesetzt zu Literaturangaben [22] traten dabei keinerlei Probleme, wie Risse oder zu hohe Presskräfte, auf. Die gewählte Umformroute ermöglicht ein Optimum an Eigenschaftsverbesserung und Materialausnutzung. Ein besonderes Augenmerk galt der lokalen Eigenschaftsentwacklung innerhalb der umgeformten Halbzeuge, da dies Voraussetzung für ein qualitativ hochwertiges und sicheres Bauteil ist. Um die Festigkeits- und Verformbarkeitseigenschaften von besonders kleinen Volumina messtechnisch sauber erfassen zu können, wurde eine spezielle Miniaturzugprüfvorrichtung entwickelt.