Ermüdungsfestigkeit drahtfunkenerodierter Nickelbasiswerkstoffe für Triebwerksanwendungen

Welschof, Lukas Gabriel; Bergs, Thomas; Klocke, Fritz

doi:HT031199484

Ermüdungsfestigkeit drahtfunkenerodierter Nickelbasiswerkstoffe für Triebwerksanwendungen = Fatigue life of nickel-based alloys for turbine engine applications processed with wire electrical discharge machining

Welschof, Lukas Gabriel^RWTH*

2025

VerantwortlichkeitsangabeLukas Welschof

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : Apprimus Verlag 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ISBN978-3-98555-287-0

ReiheErgebnisse aus der Produktionstechnik ; 2025,11

Dissertation, RWTH Aachen University, 2025

Druckausgabe: 2025. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University. - Weitere Reihe: Technologie der Fertigungsverfahren. - Weitere Reihe: Edition Wissenschaft Apprimus

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Bergs, Thomas (Thesis advisor)^RWTH* ; Klocke, Fritz (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-03-19

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-05767
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1013889/files/1013889.pdf

Einrichtungen

Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Drahtfunkenerosion (frei) ; ECDMTF100 (frei) ; Einzelentladungen (frei) ; Prozessüberwachung (frei) ; process monitoring (frei) ; single discharges (frei) ; wire EDM (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Steigerung des thermischen Wirkungsgrades zur Effizienzverbesserung von Flugzeugtriebwerken geht mit wachsenden Anforderungen an die dynamische Auslegung der Triebwerkskomponenten aus Werkstoffen wie der Nickelbasissuperlegierung IN718 einher. Der expandierende Luftfahrtsektor benötigt daher zunehmend Alternativen zu etablierten Fertigungsrouten. Das auf dem Prinzip des thermischen Werkstoffabtrags durch elektrische Entladungen basierende Fertigungsverfahren der Drahtfunkenerosion eignet sich insbesondere zur Herstellung hochpräziser Geometrien in anspruchsvollen Werkstoffen, wie beispielsweise der Fertigung von Profilnuten in Triebwerkscheiben. Allerdings beruht die technologische Entwicklung eines zertifizierten Fertigungsprozesses auf zeit- und kostenintensiven Iterationen. Dieser Problemstellung widmet sich die vorliegende Arbeit mit der Zielsetzung die Spezifika der drahtfunkenerosiven Bearbeitung für eine wissensbasierte, festigkeitsorientierte Technologieauslegung systematisch zu erarbeiten und signalkenn-wertbasiert auf ihre Korrelation mit der Ermüdungsfestigkeit hin zu untersuchen. Dazu wurden zunächst die energetischen Fundamentalereignisse des Prozesses – die einzelnen Entladungen – untersucht, Einflüsse auf die Abtragcharakteristika beschrieben und unterschiedliche Entladungstypen differenziert. Anschließend wurden mehrere Varianten einer Mehrschnitttechnologie mittels ortsaufgelöster Offline- sowie Online-Prozessanalyse charakterisiert und anhand abgeleiteter spezifischer Kennwerte energetisch verglichen. Dabei stellten die zuvor ermittelten Fundamentaldaten die Grundlage der Kennwertbildung dar. Abschließend wurde in Schwingfestigkeitsuntersuchungen die Ermüdungsfestigkeit der drahtfunkenerosiven Technologievarianten, einer Schleifbearbeitung sowie von Prozesskettenkombinationen beider Verfahren mit zwei unterschiedlichen Nachbearbeitungsverfahren bestimmt. Dabei erzielte die Drahtfunkenerosion je nach Prozessführung bessere oder schlechtere Langzeitfestigkeiten als die Schleifbearbeitung. Durch die Anwendung der Nachbearbeitungsverfahren konnte die Langzeitfestigkeit weiter gesteigert werden. Mithilfe der ortsaufgelösten Prozesskennwerte ließen sich umfangreiche Rückschlüsse auf den Zusammenhang zwischen Prozessführung und Ermüdungsfestigkeit ableiten. Insbesondere konnten die Auswirkungen des prozessinhärent inhomogen ausgeprägten Spaltzustandes herausgearbeitet werden.

The improvement of thermal efficiency in aircraft engines to enhance overall performance is accompanied by increasing demands on the dynamic strength design of engine components made from materials such as the nickel-based alloy IN718. Consequently, the expanding aerospace sector requires alternatives to established manufacturing routes. The wire electrical discharge machining (WEDM) process, based on the principle of material removal via electrical discharges, is particularly suitable for producing high-precision geometries in demanding materials, such as the manufacture of profile grooves in turbine disks. However, the technological development of a certified manufacturing process involves time- and cost-intensive iterations. The present work addresses this issue with the aim of systematically developing the specifics of WEDM for a knowledge-based, strength-oriented technology design and investigating its correlation with the dynamic component strength based on signal characteristics. Initially, the fundamental individual energetic events of the process – the individual discharges – were examined, the influences on the removal characteristics were described, and different types of discharges were differentiated. Subsequently, several variants of a multi-cut technology were characterized using spatially resolved offline and online process analysis and energetically compared based on derived specific characteristic values. The previously determined fundamental data formed the basis for the generation of the characteristic values. Finally, fatigue tests were conducted to determine the dynamic strength of the WEDM technology variants, a grinding process, as well as process chains of the WEDM or grinding process combined with additional post-processing. Depending on process design, WEDM achieved either higher or lower fatigue strengths compared to grinding, which could be further enhanced through the application of post-processing methods. The previously extracted spatially resolved process parameters enabled extensive insights into the underlying relationship between process design and dynamic strength, particularly elucidating the effects of the inherently inhomogeneous gap condition of WEDM processes.

OpenAccess:
PDF
(zusätzliche Dateien)