„Verweilermüdung“ ist ein Phänomen, das in Titanlegierungen auftreten kann, wenn sie unter Spannung gehalten werden, wie z. B. die Lüfterscheibe eines Strahltriebwerks während des Starts. Dieser besondere Ausfallmodus kann mikroskopisch kleine Risse hervorrufen, die die Lebensdauer einer Komponente drastisch reduzieren.
Es wurde nicht angenommen, dass die am häufigsten verwendete Titanlegierung Ti-6Al-4V vor dem Vorfall von Air France Flug 066 im Jahr 2017, bei dem ein Airbus auf dem Weg von Paris nach Los Angeles einen Lüfterscheibenausfall über Grönland erlitt, der einen Notfall erzwang, eine Verweilermüdung zeigte Landung. Die Analyse dieses Vorfalls und mehrere neuere Bedenken veranlassten die Federal Aviation Administration und die Flugsicherheitsagentur der Europäischen Union, die Arbeit in der gesamten Luft- und Raumfahrtindustrie zu koordinieren, um die Grundursachen der Verweilermüdung zu ermitteln.
Experten zufolge verformen sich Metalle hauptsächlich durch Versetzungsschlupf – die Bewegung von Liniendefekten im darunter liegenden Kristallgitter. Forscher sind der Ansicht, dass eine Verweilermüdung eintreten kann, wenn der Schlupf auf schmale Bänder beschränkt ist, anstatt homogener in drei Dimensionen aufzutreten. Das Vorhandensein von intermetallischen Ti3Al-Ausscheidungen im Nanometerbereich fördert die Bandbildung, insbesondere wenn die Verarbeitungsbedingungen ihre langreichweitige Ordnung zulassen.
Die Dinge werden heikel, wenn dieses Banding-Verhalten über eine zusammenhängende Gruppe von „weichen“ orientierten Körnern auftritt, die als „Makrozone“ bezeichnet werden, erklärten die Forscher. Die resultierende Verformungskonzentration, wo das Band außerhalb der Makrozone auf ein „hart“ orientiertes Korn trifft, führt zu einer Spannungskonzentration, die den Rissbildungsprozess einleitet.
Was die Dinge noch komplizierter macht, tritt Versetzungsschlupf intermittierend in Ausbrüchen oder „Lawinen“ auf, ähnlich wie kleine Verwerfungsschlupfereignisse bedeutendere Erdbeben auslösen können. Die Größe und Häufigkeit dieser Schlupflawinen haben einen starken Einfluss auf die Auslösung der Halteermüdung.
In einer kürzlich durchgeführten Studie eines multinationalen Teams, dem aktuelle und ehemalige Wissenschaftler des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) angehörten, verwendeten Forscher Synchrotron-Röntgenstrahlen, um diskrete Schlupflawinenereignisse in Titan zu verfolgen, das bei Raumtemperatur unter Last gehalten wurde.
Ein Team des Imperial College London stellte Proben von speziell präpariertem Ti-7Al zur Verfügung, einer Legierung, die einen Ersatz für die Primärphase in Ti-6Al-4V darstellt. Die Populationen von Zweipunkt-Defekttypen wurden über die Proben hinweg moduliert: Zwischengittersauerstoffgehalt und die Menge an geordneten Ti3Al-Präzipitaten.
Die Studie, erschienen in Naturkommunikation, zeigt, dass dort, wo Ti3Al eine Ordnung aufweist, Schlupflawinen in der damit verbundenen Spannungsgröße schwerwiegender sind. Im Gegensatz dazu scheint die Erhöhung der Menge an interstitiellem Sauerstoff die Schwere zu verringern und häufigere kleinere Lawinen zu fördern.
„Diese Arbeit bietet eine neuartige, mesoskalige Ansicht der intermittierenden Verformungsereignisse (kleine „Ausbrüche“ von plastischem Schlupf), die der Verweilermüdung zugrunde liegen, insbesondere wie die Häufigkeit und Größe dieser Ereignisse vom Sauerstoffgehalt und der Legierung abhängen“, sagten Co-Autor und LLNL Physiker Joel Bernier. „Diese Daten können dabei helfen, die Verarbeitung zu leiten, um Mikrostrukturen zu vermeiden, die sich nachteilig auf die Widerstandsfähigkeit gegen Verweilermüdung auswirken.“
Bernier half bei der Durchführung von Hochenergie-Röntgenbeugungsmikroskopie-Messungen an der Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS) und führte die Datenreduktion mit der vom LLNL entwickelten HEXRD-Softwarebibliothek durch. Das Team quantifizierte die Häufigkeit und Größe von Spannungsstößen, die aus Rutschlawinen resultieren, und stellte fest, dass beide Arten von Punktdefekten ausgeprägte Auswirkungen auf den auf den Grundebenen des Kristallgitters auftretenden Rutsch hatten.
Die Forscher entdeckten, dass dieser Verformungsmechanismus nach dem anfänglichen Nachgeben leichter zu aktivieren ist, eine Erweichung, die bekanntermaßen ein Vorläufer für die Akkumulation von Schäden und das Versagen in Fällen von Ermüdung des Verweilens ist. Zu den wichtigsten Ergebnissen gehört: Eine höhere Konzentration an Sauerstoff-Zwischengittern verringerte die durchschnittliche Größe der basalen Rutschlawinen, indem sie häufigere Ereignisse mit geringerer Größe förderte.
Im Gegensatz dazu erhöhte die Vergrößerung der Größe geordneter Ti2Al-Ausscheidungen durch Alterung des Materials bei einer erhöhten Temperatur sowohl die Häufigkeit als auch die Größe von Rutschlawinen, was die Wahrscheinlichkeit der Rissbildung erhöhte. Laut dem Team können diese Erkenntnisse dazu beitragen, die Verarbeitung von Titanlegierungen für die Beständigkeit gegen Ermüdung durch Verweilen zu optimieren.
Mehr Informationen:
Felicity F. Worsnop et al., Der Einfluss des Legierens auf die Gleitunterbrechung und die Auswirkungen auf die Verweilermüdung in Titan, Naturkommunikation (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-33437-z