Werkstoffuntersuchungen an Mischschweißverbindungen für den Einsatz in Turbinenwellen des 700 °C-Kraftwerks

Abstract

Übergeordnete Ziele für fossil befeuerte Kraftwerke der neuesten Generation liegen in der Steigerung des thermischen Wirkungsgrades sowie in der Reduzierung des Ausstoßes von Treibhausgasen. Der Ansatz, dies unter anderem über eine Erhöhung der Dampfparameter Druck und Temperatur zu erreichen, erfordert eine gezielte, an die Betriebsbedingungen angepasste Werkstoffauswahl. Die zumindest mittelfristig angestrebten Dampfparameter von 350 bar und 720 °C überschreiten die Einsatzgrenze bisher verwendeter konventioneller Kraftwerksstähle teilweise deutlich. Daher stehen Nickelbasislegierungen als Werkstoffe für Kraftwerke der neuesten Generation im Fokus zahlreicher Forschungsarbeiten. Aufgrund technischer und wirtschaftlicher Überlegungen soll der Einsatz dieser Superlegierungen auf die mechanisch und thermisch höchstbeanspruchten Bereiche beschränkt werden. Dies betrifft auch die Turbinenwelle, die wegen ihrer großen Abmessung nicht vollständig aus Nickelbasis-Werkstoffen hergestellt werden soll. Ein vielversprechender Ansatz ist deshalb der Einsatz geschweißter Rotoren aus konventionellen martensitischen Turbinenwerkstoffen und Nickelbasislegierungen. Aus der Kombination zweier Werkstoffe mit stark unterschiedlichen mechanischen, thermischen und physikalischen Eigenschaften ergibt sich die Notwendigkeit einer umfangreichen Grundcharakterisierung solcher Mischschweißverbindungen. Auch die temperaturinduzierte Beeinflussung der mechanischen Eigenschaften der Grundwerkstoffe in nahtnahen Bereichen wirkt sich auf das Schweißnahtverhalten bei hohen Temperaturen aus. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit erfolgt die Grundcharakterisierung von vier nicht artgleichen Schweißverbindungen. Die Grundwerkstoffe sind jeweils ein 10 % Chromstahl und eine Nickelbasislegierung, als Schweißzusatzwerkstoff wird ein Nickelbasis-Schweißgut verwendet. Zum Vergleich werden die Ergebnisse früherer Untersuchungen an einer Referenzschweißverbindung herangezogen, deren Schweißnahtaufbau den vier untersuchten Verbindungen sehr ähnlich ist. Zugversuche bei unterschiedlichen Temperaturen ermöglichen erste Rückschlüsse auf versagensrelevante Bereiche. Bei Temperaturen, die der vorgesehenen Einsatz-temperatur der Schweißnaht am nächsten sind, ist das Versagen häufig im 10 % Chromstahl oder im Übergangsbereich von Schweißgut zum 10 % Chromstahl zu beobachten. Unter Zeitstandbeanspruchung versagt ein Teil der untersuchten Schweißverbindungen auf der Seite des 10 % Chromstahls. Der dabei auftretende spannungs- und temperaturabhängige Bruchlagenwechsel vom Grundwerkstoff in die Wärmeeinflusszone ist auch für artgleiche Schweißverbindungsproben zu beobachten. Ein anderer Teil der untersuchten Verbindungen hingegen versagt durch einen verformungsarmen Zeitstandbruch in der Fusionslinie zwischen Schweißgut und 10 % Chromstahl. Dies korreliert mit Schadensbeschreibungen von sogenannten Schwarz-Weiß-Verbindungen, die nach langen Betriebszeiten durch einen verformungslosen Bruch in der Fusionslinie versagen. Zur weiteren Untersuchung der Versagensmechanismen beim Fusionslinienbruch werden mehrere Proben einer vom Fusionslinienbruch betroffenen Verbindung ausgiebig analysiert. Eine Verbindung wird auch unter zyklischer Beanspruchung geprüft und die Ergebnisse denen der Referenzschweißverbindung gegenübergestellt. Im Low Cycle Fatigue Bereich beeinflusst neben der Temperatur auch die Dehnungsamplitude die Anrissposition. Die Bruchlage unter hochzyklischer Beanspruchung hängt überwiegend von der Prüftemperatur ab. In der numerischen Simulation der Zeitstandversuche werden nach einer Materialparameterbestimmung neben der Modellierung der Wärmeeinflusszone auch die Eigenschaften des Schweißguts variiert und der Einfluss auf die Simulationsergebnisse dargestellt. Über die Korrelation zwischen Kriechschädigung und dem Spannungszustand wird die Entstehung des Bruchs auf Basis der Erkenntnisse aus den numerischen Simulationen beschrieben und mit den Bruchbildern aus den Experimenten verglichen. Zur numerischen Simulation des Low Cycle Fatigue Verhaltens wird ein Werkstoffmodell eingesetzt, das sowohl kinematische als auch isotrope Ver- und Entfestigungsvorgänge einzelner Werkstoffzonen der Schweißnahtprobe berücksichtigt. Für hohe Dehnungsamplituden können neben den Minimal- und Maximalspannungsverläufen über der Lastzyklenzahl auch die Spannungs-Dehnungs-Hysteresen gut abgebildet werden. Eine Auswertung der akkumulierten plastischen Dehnung erlaubt einen Rückschluss auf den zu erwartenden Versagensort. Die vorliegende Arbeit erweitert und vertieft die Versuchsdatenbasis zu artfremden Schweißverbindungen. Umfangreiche Untersuchungen ermöglichen eine genauere Beschreibung der Schädigungsmechanismen beim Fusionslinienbruch. Der Einsatz geeigneter Materialmodelle ermöglicht eine Korrelation von Versuchsergebnissen und numerischer Berechnung.

The goals of increasing the efficiency and the economic feasibility of modern fossil fired power plants as well as the reduction of greenhouse gas emissions are supposed to be achieved by the elevation of the steam parameters pressure and temperature. In the medium term, steam parameters of 350 bar and 720 °C shall be realized. This requires an optimized material selection, as the applicability of conventional power plant steels is limited to approximately 620 °C. Therefore, research activities focus on nickel base alloys, which are favored to find their way into fossil fired power plants of the latest generation. Technological and economical restrictions require the limitation of the application of these superalloys to the thermally and mechanically most heavily loaded regions. One of the heavily loaded components is the turbine rotor that shall, however, not be completely engineered of nickel base alloys. A promising approach to overcome this issue is the application of welded rotors from conventional martensitic materials and nickel base alloys. Nickel base alloys and conventional martensitic steels show significant differences in their mechanical, thermal and physical properties. Welding these two kinds of materials therefore requires an extensive basic characterization of the dissimilar welds. The regions of the base materials closest to the weld are influenced in their mechanical properties by the local heat input during the welding process. This affects the response to mechanical loading at elevated temperatures. This report describes the basic characterization of four dissimilar welds. The base materials for each weld are a 10 % chromium steel and a nickel base alloy as well as a nickel base filler metal. For the classification of the results, a comparison to previously conducted experiments with a comparable dissimilar weld is made. Tensile tests at different temperatures allow a preliminary classification of the critical location on base of the fracture location. At temperatures closest to the planned operating temperature, maximum damage in many cases is identified in the 10 % chromium steel or in the transition zone between the weld and the base metal on the 10 % chromium side. For the creep tests, the change in fracture location that is often observed for similar welds can also be observed for some of the tested dissimilar welds, whereas other dissimilar welds show low ductility failure in the fusion line on the 10 % chromium side. This correlates with the damage description of low ductility failure in the fusion line of black and white connections after long time exposure at high temperatures. Several specimen of one of the dissimilar welds are tested for a further examination of the fusion line fracture damage mechanism. One dissimilar weld is further tested under cyclic loading. The results are compared to the experimental data of the reference dissimilar weld. In the low cycle fatigue regime the crack initiation location is influenced by the strain amplitude and temperature. Under high cycle fatigue loading, the fracture location mainly depends on the testing temperature. The texture of the heat affected zone as well as the properties of the weld metal are varied for the numerical simulations of the creep tests after the determination of the material properties. The influence of these parameter studies on the simulation results is constituted. The mutual interaction between creep damage and stress state is explained. The damage development of the tested specimen is described by applicable quantities that are derived from numerical simulations and compared to the fracture appearances. For the numerical simulation of the low cycle fatigue experiments a material model is used that takes into account isotropic as well as kinematic hardening of the single material zones of the crossweld specimen. The minimum and maximum stress as well as the stress-strain hysteresis are evaluated and compared to the experiment as a function of the number of cycles. An evaluation of the accumulated plastic strain allows the conclusion on the expectable crack initiation location. The research at hand expands and deepens the experimental basis on dissimilar welds. Comprehensive examinations allow a more detailed description of the failure mechanism for the fusion line fracture. The use of suitable material models allows a correlation between numerical simulations and experimental results.