Extrema påfrestningar
500-gradig hetta och upprepade belastningar som motsvarar tyngden av en lastbil. Bladen i en gasturbin utsätts för stora påfrestningar som på sikt gör att de riskerar att spricka och måste bytas ut. Detta trots att de tillverkas i det extremt tåliga, och dyra, materialet enkristallina nickelbaserade superlegeringar.
I doktorsavhandlingen Modelling of Crack Growth in Single-Crystal Nickel-Base Superalloys har Christian Busse tagit fram en modell för att beräkna hur sprickor i materialet utvecklas, både med hänsyn till riktning och hastighet. Spricktillväxten kan förefalla helt slumpmässigt, men beror till största delen på egenskaper hos materialet.
Provbitar från försöken. Christian Busse har lyckats beräkna hur den tredimensionella brottytan utvecklas.Därmed blir sprickorna också möjliga att beräkna – och förutse.
- Till största delen beror sprickans tillväxt på hur det enkristallina materialet är gjutet. Sprickan utvecklas inte jämnt utan kan växa i olika riktningar och med olika hastighet, säger Christian Busse.
- Sen kan man inte räkna bort slumpen helt, men det tar jag också hänsyn till i mina modeller.
Första gången i 3D
Den ojämna sprickutvecklingen beror på att materialet består av en enda kristall och är så kallat anisotropt, vilket betyder att det har olika egenskaper i olika riktningar. Tidigare modeller har bara tagit hänsyn till två dimensioner och räknat med två tydliga faser i spricktillväxten - dels vinkelrätt mot belastningen, dels kristallografiskt då kristallstrukturen avgör sprickvägen .
Christian Busse har för första gången lyckas utveckla en modell i 3D som dessutom binder ihop dessa två faser. Det gör att beräkningarna blir betydligt mer exakta och i förlängningen även praktiskt användbara. Inte minst gäller det för att bestämma servicebehovet för en gasturbin.
- Vet man hur sprickan kommer att utvecklas är det inte nödvändigt att byta komponenten direkt när sprickan håller på att uppstå. Den kanske kommer att fungera utmärkt under lång tid ändå, säger Christian Busse.
- Det gör att underhållet kan anpassas och att säkerhetsmarginalerna, som i dag är ganska trubbiga, kan göras mer exakta. Det här är dyra komponenten och det kommer inte minst att spara pengar för gasturbinstillverkarna.
Hur stor är skillnaden jämfört med de beräkningar som används i dag?
- Det vet jag inte exakt och det är kanske också något som tillverkarna vill hålla hemligt. Men skillnaden är i varje fall så stor att det är värt att använda den här nya modellen, säger Christian Busse.
De praktiska testerna har utförts under förhållanden som liknar driften i en gasturbin, och har gjorts både i labbet på LiU och av ett företag i USA. Mest tid har Christian Busse dock tillbringat framför datorn med den modellering som bygger på de praktiska proven. För framtida forskning blir en viktig uppgift att validera modellen med ytterliga praktiska tester.