Bewertung und Auslegung von Al-Bronze-Gussbauteilen

Aluminiumbronzelegierungen für Turbinen und Schiffspropeller

Sowohl im Bereich der regenerativen Energieerzeug mittels Wasser- und Gezeitenkraftwerke als auch in der maritimen Schiffstechnik werden Aluminiumbronzelegierungen (CuAl-Bronze) für Turbinen bzw. Schiffspropeller eingesetzt. Die Herstellung dieser zum Teil sehr großen Bauteile stellt die Gießer vor besondere Herausforderungen, hinsichtlich Fehlstellen, Werkstoffverhalten und Korrosionsverhalten. Prozessparameter wie die Abkühlgeschwindigkeit, Legierungszusammensetzung und Feuchtigkeit haben in Abhängigkeit der Bauteilgeometrie großen Einfluss auf das spätere Endprodukt und dessen Beanspruchbarkeit. Der Fertigungsprozess und die Wanddicke des Bauteils bestimmen damit auch die späteren Werkstoffeigenschaften.  

Wie können die unterschiedlichen Einflüsse im Rahmen der Bauteilbemessung berücksichtigt werden? Das Ziel ist, einen zuverlässigen und ausfallfreien Betrieb der maritimen Bauteile – auch bei Variation einzelner Einflussgrößen – zu gewährleisten. 

Beanspruchbarkeit von dickwandigen Aluminiumbronzen unter Einfluss lokaler Gefügezustände

Im Rahmen des Forschungsvorhabens „Bross“ wird die quasi-statische und zyklische Beanspruchbarkeit von dickwandigen Aluminiumbronzen für die Anwendung in Schiffspropellern eingehend untersucht. Dabei steht die Bewertung des Einflusses lokaler Gefügezustände im Propeller mit Mittelpunkt. Diese Gefügezustände ergeben sich durch einen Wechsel von Formstoffen, Formstofffeuchten sowie chemischen Zusammensetzungen im Gießprozess und beinhalten mitunter auch lokale Poren. Diese Einflüsse werden detailliert innerhalb des Vorhabens im Sinne des technologischen Größeneinflusses untersucht und dem Stand der Technik gegenübergestellt. Die Kennwerte des quasi-statischen und zyklischen Werkstoffverhaltens in Abhängigkeit dieser technologischen Parameter werden anschließend den Gefügeparametern gegenübergestellt, die im Rahmen von metallographischen und fraktographischen Analysen ermittelt werden.

Einfluss von Korrosion durch Meerwasser

Neben den Einflüssen der Gefügeparameter wird auch der überlagerte Einfluss von Korrosion durch Meerwasser auf die zyklische Beanspruchbarkeit untersucht und sowohl mit den Gefügeparametern als auch der Bauteilbeanspruchung in Korrelation gesetzt. Ziel ist es, die für die Korrosion maßgeblichen Mechanismen zu beschreiben und die für das Versagen unter mechanischer und korrosiver Beanspruchung entscheidenden Werkstoffparameter für dickwandige Aluminiumbronzen zu identifizieren.

Aktuell werden die experimentell ermittelten Ergebnisse final ausgewertet, fraktographische Analysen der untersuchten Legierungen durchgeführt und der Abschlussbericht erstellt. Als Ergebnisauszug sind im nachfolgenden Wöhlerdiagramm die Schwingfestigkeitsergebnisse an Luft und unter korrosiver Meerwasseratmosphäre dargestellt. Hiermit kann aufgezeigt werden, dass die drei separat abgegossenen Chargen 1, 2 und 7 vergleichbare ertragbare Nennspannungsamplituden aufweisen, weshalb diese auch gemeinsam ausgewertet wurden. Weiterhin kann mit den Ergebnissen aufgezeigt werden, dass der Verlauf der Wöhlerlinie unter Korrosion steiler als an Luft verläuft und sich bei Lebensdauern von 100 Millionen Schwingspielen noch kein Abknicken der Wöhlerlinie andeutet. Diese Erkenntnis ist sehr wichtig für die Auslegung von Schiffpropellern, um deren Zuverlässigkeit über die geplante Nutzungsdauer sicher zu stellen.

Förderung 

Das Forschungsprojekt Bross hat eine Laufzeit von 3 Jahren und wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz BMWK gefördert.