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Institut für Energie- und Klimaforschung

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Arbeitsgruppe Materialermüdung

Neben hoher Zuverlässigkeit im Langzeitbetrieb müssen Gas- und Dampfturbinen sowie Hochtemperatur-Brennstoffzellen (SOFC) eine ausreichende Beständigkeit gegen kurzfristige Lastwechsel und Start-Stopp-Vorgänge aufweisen. Letzterer Aspekt ist bei Flugtriebwerken und SOFCs essentiell und gewinnt in der Kraftwerkstechnik wegen des verstärkten Einsatzes erneuerbarer Energieträger weiter an Bedeutung. Durch bei Laständerungen auftretende zeitabhängige Temperaturgradienten entstehen thermomechanische Ermüdungsbelastungen, welche die Lebensdauer von Schlüsselkomponenten wie Turbinenschaufeln und SOFC-Interkonnektorblechen maßgeblich beeinflussen. Bei Verbundbauteilen wie Turbinenschaufeln mit keramischen Wärmedämmschichten führt die thermische Fehlpassung zwischen metallischen und keramischen Komponenten zu einer weiteren Belastungskomponente, die bei der Auslegung berücksichtigt werden muss. Ferner beeinflussen während des Betriebs aufwachsende Oxidschichten die Ermüdungslebensdauer.
Die Arbeitsgruppe analysiert daher das isotherme sowie thermomechanische Ermüdungsverhalten von metallischen Hochtemperaturwerkstoffen und Metall-Keramik Verbunden.

Laufende Projekte

Beschleunigte Rissausbreitung ins Substrat aufgrund der kleinen Verzweigung an der Grenzfläche in einer duplex-beschichteten Probe (Schichtvariante II)  nach Out-of-Phase TMF-Beanspruchung

Ni-Basis-Superlegierungen für stationäre Gasturbinen und Flugtriebwerke

In modernen wirkungsgradoptimierten Flugtriebwerken ist der Einsatz einkristallin erstarrter Ni-basis-Superlegierungen seit mehr als einem Jahrzehnt Stand der Technik.

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Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer Ni-Basis Superlegierung

Probablilistische Lebensdauermodellierung bei Hochtemperaturermüdung.

Probabilistische Lebensdauerberechnung für Hochtemperatur-ermüdungsbeanspruchte Ni-Basislegierungen.

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Schematische Darstellung einer Wöhler-Kurve für metallische Werkstoffe mit hinreichend großen Einschlüssen (≥ 10 μm)

Ermüdungsverhalten eines Stahls für Niederdruck-Dampfturbinenschaufeln bei extrem hohen Zykluszahlen und hohen Mittelspannungen

Erforschung der Versagensmechanismen bei sehr hohen Zyluszahlen (VHCF - Very High Cycle Fatigue).

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DFG Forschergruppe 1779

Ermüdungsverhalten strukturierter Bleche im Bereich extrem hoher Lastwechselzahlen

Der Einsatz strukturierter Bleche zu Reduzierung des Luftwiderstandes moderner Verkehrsmittel ist aus ökologischer und wirtschaftlicher Sicht erstrebenswert.

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Reaktivlöten zur Verbindung von keramischen und metallischen Bauteilen

Das IEK-2 arbeitet seit einigen Jahren an mehreren Projekten mit RAB-Loten, deren Ziel es ist, keramische Bauteile in bestehende Systeme zu integrieren.

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Abgeschlossene Forschungsvorhaben

Aluminiumgusslegierungen für Hochleistungskolben

Die Automobilindustrie entwickelt im Zuge des „Downsizing“ immer effizientere Motoren mit immer höheren Leistungsdichten. Zwangsläufig steigen damit auch die Anforderungen an die verwendeten Werkstoffe. Mehr: Aluminiumgusslegierungen für Hochleistungskolben …

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