Wie wirken sich Eigenspannungen in Gussteilen von Schaufellaufrädern auf die langfristige Betriebslebensdauer des Laufrads aus?

Gussteile für Schaufellaufräder , das Herzstück von Fluidmaschinen, werden häufig in Umgebungen mit hohen Geschwindigkeiten, hohen Drücken, korrosiven Medien und schwankenden Temperaturen eingesetzt. Während des Betriebs sind Laufräder komplexen Belastungen ausgesetzt, darunter Zentrifugal-, hydraulische und thermische Belastungen. Zusätzlich zu diesen äußeren Belastungen lauert jedoch eine versteckte Gefahr im Gussteil: Eigenspannungen. Restspannung ist ein selbstausgleichendes Spannungssystem, das intern durch ungleichmäßige Schrumpfung oder Volumenänderungen während Phasenübergängen und Wärmebehandlungsprozessen erzeugt wird. Bei geometrisch komplexen Laufradgussteilen hat das Vorhandensein von Eigenspannungen einen entscheidenden Einfluss auf die langfristige Betriebslebensdauer und die strukturelle Integrität des Laufrads.

Der direkte Zusammenhang zwischen Eigenspannung und Rissrisiko

Induktion von Gussrissen

Hohe Zugeigenspannungen sind die Hauptursache für Heiß- und Kaltrisse in Gussteilen. Bei Gussteilen von Schaufellaufrädern sind die dicke Grenzfläche zwischen Schaufel und Nabe (Nabe/Mantel) und abrupte geometrische Änderungen Bereiche mit hohem Risiko für Restspannungskonzentrationen.

Zugeigenspannung: Übersteigt diese innere Zugspannung die Streckgrenze bzw. Zugfestigkeit des Materials, kann es auch im statischen Zustand nach dem Gießen zu sofortigen oder verzögerten Makrorissen kommen.

Verzögerte Rissbildung: Insbesondere bei bestimmten Legierungen wie martensitischem Edelstahl oder bestimmten Nickelbasislegierungen kann Eigenspannung in Kombination mit Wasserstoffversprödung zu verzögerter Rissbildung führen. Dieser Defekt ist bei der Werksinspektion oft schwer zu erkennen, kann aber schon früh in der Lebensdauer des Laufrads zu einem plötzlichen Ausfall führen.

Spannungsüberlagerungseffekt

Nach der Inbetriebnahme des Laufrades überlagern sich äußere Betriebsspannungen mit Zugeigenspannungen.

Spannungskonzentration: Die vom Laufrad bei Hochgeschwindigkeitsrotation erzeugte Zentrifugalspannung erreicht am Schaufelfuß ihr Maximum. Wenn in diesem Bereich auch erhebliche Gusseigenspannungen vorhanden sind, kann die resultierende lokale Gesamtspannung die Sicherheitsgrenze des Materials weit überschreiten.

Nachgeben und Verformung: Überlagerte Spannungen können dazu führen, dass lokalisiertes Material vorzeitig in die Phase der plastischen Verformung eintritt, was zu einer geometrischen Verformung des Laufrads führt, sein dynamisches Gleichgewicht stört und letztendlich schwere Vibrationen und Lagerschäden verursacht.

Einfluss von Eigenspannungen auf Ermüdungslebensdauer und Korrosionsverhalten

Deutliche Reduzierung der Lebensdauer durch Ermüdung

Gussteile von Schaufellaufrädern werden meist unter wechselnden Belastungen betrieben, und ihre Ermüdungslebensdauer ist ein wichtiger Indikator für die langfristige Zuverlässigkeit.

Beschleunigte Entstehung von Ermüdungsrissen: Zugeigenspannung erhöht effektiv die Mittelspannung des Spannungszyklus. Gemäß den Goodman- oder Haigh-Ermüdungskriterien verkürzt die Erhöhung der Mittelspannung die Ermüdungsgrenze des Materials erheblich und beschleunigt die Entstehung von Ermüdungsrissen am Defekt.

Treibende Kraft für das Ermüdungswachstum: Die verbleibende Zugspannung stellt eine zusätzliche treibende Kraft für entstandene Mikrorisse dar und führt dazu, dass sie sich schneller durch die kritischen tragenden Bereiche des Laufrads ausbreiten, was zu einem vorzeitigen Ermüdungsversagen führt.

Beschleunigte Spannungsrisskorrosion (SCC)

Viele Laufradgussteile, insbesondere solche aus Edelstahl oder Duplexstahl, müssen in korrosiven Medien (z. B. Chloridlösungen) betrieben werden.

SCC-Anfälligkeit: Spannungsrisskorrosion (SCC) ist eine Fehlerart, die durch die kombinierten Auswirkungen von Korrosion und Zugspannung verursacht wird. Allein die verbleibende Zugspannung reicht aus, um die notwendige Spannungsbedingung für SCC darzustellen.

Lokaler anodischer Effekt: Korngrenzen oder Mikrostrukturen in Bereichen mit hoher Eigenspannung können stärker aktiviert werden und lokale Anoden bilden. Dies beschleunigt die elektrochemische Korrosion und führt dazu, dass es bei Temperaturen weit unterhalb der Streckgrenze des Materials schnell zu Sprödrissen kommt. Dies ist äußerst gefährlich für Laufräder aus korrosionsbeständigen Legierungen, die in petrochemischen und maritimen Anwendungen eingesetzt werden.

Kritische Kontrolle der Eigenspannung im Gießprozess

Die Kontrolle der Restspannung in Gussteilen von Schaufellaufrädern ist eine der Hauptaufgaben von Gussingenieuren.

Notwendigkeit einer Wärmebehandlung: Spannungsarmglühen oder spezifische Lösungsbehandlungen werden typischerweise verwendet, um Eigenspannungen abzubauen oder neu zu verteilen. Eine genaue Steuerung der Heizrate, der Haltezeit und -temperatur sowie der Abkühlrate ist entscheidend, um die Entstehung neuer thermischer Spannungen oder eine Beeinträchtigung der Mikrostruktur des Materials zu vermeiden.

Erstarrungs- und Kühlungsoptimierung: Durch die Optimierung des Formdesigns und der Abkühlraten, z. B. durch die Verwendung von Kühlkühlungen oder die Steuerung der heißen Formtemperatur der Form, können eine gleichzeitige Erstarrung und gleichmäßige Kühlung aller Laufradkomponenten erreicht werden, wodurch Restspannungen an ihrer Quelle minimiert werden.