Micro-tensile creep testing for polycrystalline and single crystalline nickel-based high temperature alloys

Der Kriechversuch ist eine wichtige mechanische Prüfmethode, um einen geeigneten Betriebszustand und eine Lebensdauervorhersage für Komponenten wie Turbinenblätter unter Hochtemperaturbeanspruchung sicherzustellen. Zur Erreichung einer höheren Energiedichte wird die Miniaturisierung solcher Komponenten kontinuierlich weiterentwickelt. Dadurch entsteht ein dringender Bedarf nach der Entwicklung von Kriechversuchen für kleine Probengeometrien und nach Kenntnissen des Einflusses der Miniaturisierung von Proben auf das Kriechverhalten.
Das Hauptziel dieser Arbeit ist, eine vertiefte Kenntnis über das Kriechverhalten miniaturisierter Proben in der Submillimeterskala bis zu einer Temperatur von 1000 °C zu erlangen. ... mehrFür den Mikrozug-Kriechversuch unter konstanter Kraft und Spannung wurde ein selbstentwickelter Versuchsstand verwendet. Es wurde eine berührungslose Dehnungsmessung basierend auf der digitalen Bildkorrelation (DIC) entwickelt, mit der die Entwicklung der Dehnungsverteilung auf den Probenoberflächen analysiert werden kann. Das Kriechverhalten von hundeknochenförmigen miniaturisierten Proben von Nimonic 75-Polykristall- und NiAl-Einkristallen in verschiedenen Größen wurde analysiert und verglichen mit den üblichen Proben im mm-Maßstab bei ähnlichen Versuchsbedingungen.
Der Einfluss der Probenminiaturisierung auf das Kriechverhalten ist von mehreren Faktoren abhängig: miniaturisierte polykristalline Nimonic 75 Proben zeigten einen “thickness debit” Effekt. Eine weniger gute Kriechbeständigkeit wurde aufgrund der von den Probenoberflächen erzeugten intergranularen Risse beobachtet, die eine stärkere Dehnungslokalisierung verursachen. Das Kriechverhalten von einkristallinen miniaturisierten NiAlProben zeigt einen Größeneffekt, demzufolge eine niedrigere Kriechrate bei Proben mit größerem Verhältnis von Länge zum Quadrat der Dicke (L/h^2) beobachtet wurde, die eine erhöhte Dichte von geometrisch notwendigen Versetzungen (Geometrically Necessary Dislocations - GND) aufwiesen. Der Einfluss der GNDs auf das Kriechverhalten zeigte eine Abhängigkeit von der Kristallorientierung aufgrund des unterschiedlichen dominierten Kriechmechanismus, d.h. <100> Versetzungsgleiten in [110] weicher Orientierung und sessile <110> Versetzungsgleiten durch <100> Versetzungsklettern in [100] harter Orientierung.

Creep test is one important mechanical testing method to ensure a suitable working condition and lifetime prediction for components such as turbine blades in a high-temperature working environment. For a higher energy density, the miniaturization of such components is continuously developed resulting in the urgent demand for the development of small scale creep testing and the understanding of the influence of specimen miniaturization on creep behavior.
The main aim of this thesis is to gain fundamental knowledge about the creep behavior of miniaturized specimens at sub-mm scale and up to a temperature of 1000 °C. ... mehrA customized setup was designed for micro-tensile creep testing under constant load and stress. A contactless strain measurement based on digital image correlation (DIC) was developed, which enables the analysis of the strain distribution evolution on the specimen surfaces. The creep behavior of the dog-bone shaped miniaturized specimens of Nimonic 75 polycrystal and NiAl single crystals in different sizes was analyzed and compared with the creep behavior of the conventional specimens in mm scale at the similar experimental conditions.
The influence of specimen miniaturization on the creep behavior is dependent on multiple factors: Nimonic 75 polycrystalline miniaturized specimens showed a “thickness debit effect” that reduced creep resistance was observed due to the intergranular cracks generated from the specimen surfaces resulting in strain localization. Meanwhile, the creep behavior of NiAl single crystalline miniaturized specimens shows a “size effect” that decreasing creep strain rate was observed in specimens with increasing length to square of thickness ratio (L/h^2) because of a larger density of the geometrically necessary dislocations (GND) generated by the setup misalignment due to the accuracy limitation. The influence of the GNDs on the creep behavior showed a dependence on the crystal orientation because of the different dominated creep mechanism, i.e., <100> dislocation glide in [110] soft orientation and sessile <110> dislocation glide via <100> dislocation climb in [100] hard orientation.