Currently, the design of high temperature mechanical components is limited by material performance at elevated temperatures. Rocket nozzle materials, for example, need to survive exhaust gas temperatures up to 3000 ºC under high stresses for short periods of time. Additionally, one of the current challenges in hypersonic flight is the development of materials that will withstand the leading edge temperatures which exceed 2700 ºC. In these severe environments, the characterization of materials’ creep properties is essential. Conventional creep testing methods are limited to 1700°C. Using ESL, a group of researchers at the University of Massachusetts Amherst developed a non-contact creep method, which is not subject to such temperature limits. Using the non-contact method a spherical sample is rotated rapidly, and the driving load is applied by centripetal acceleration, which causes deformation. During previous creep tests, a laser supplied both the heating and driving rotational force to the sample. Since the rotation is controlled by the photon pressure emitted from the heating laser, the applied stress is coupled to the testing temperature. By developing an independent rotation control, non-contact creep tests could be conducted on a wider range of materials. A specialized high-speed induction motor was developed for use in high-temperature creep tests. In addition to creep behavior, the understanding of thermophysical properties is important for the emerging class of high temperature material. Using a previously developed method, non-contact density measurements were taken concurrently on the same materials as X-ray diffraction measurements. Over 35 materials were successfully processed including, aluminum, copper, hafnium, palladium, nickel, titanium and zirconium based alloys. Besides contributing to high temperature material databases, density measurements provide an understanding of solidus formation and short-range order in the liquid state.

Im Zeitraum der Jahre 2012 bis 2015 beteiligte sich die TU Bergakademie Freiberg mit einem Antrag für ein \\\"Zentrum für effiziente Hochtemperatur- Stoffwandlung\\\" (ZeHS) am Wettbewerb um eine Förderempfehlung für Forschungsbauten an Hochschulen gemäß Art. 91b GG. Nach der erfolgreichen Verteidigung vor dem Wissenschaftsrat und der Bestätigung durch die gemeinsame Wissenschaftskonferenz des Bundes und der Länder stehen der Universität in den Jahren 2015 bis 2020 41,5 Mio. Euro für die Baukosten und die Beschaffung ausgewählter Großgeräte zur Verfügung. Der Forschungsbau, der für Wissenschaftler aller Fakultäten der TU Bergakademie Freiberg offen ist, ermöglicht die strukturelle Bündelung der an der Universität in den Bereichen Hochtemperatur-Prozesse und -Materialien in einzigartiger Weise vorhandenen Kompetenzen. Der Fokus des ZeHS liegt auf der Entwicklung innovativer, ressourcen- und energieeffizienter Technologien im Bereich der Grundstoffindustrie, wobei Prozess- und Materialanforderungen in der Chemischen Industrie, der Metallurgie sowie der Keramik-, Glas- und Baustoffindustrie zusammenhängend betrachtet werden und die Ergebnisse auch auf andere Branchen übertragbar sind.

Im Zeitraum der Jahre 2012 bis 2015 beteiligte sich die TU Bergakademie Freiberg mit einem Antrag für ein \\\"Zentrum für effiziente Hochtemperatur- Stoffwandlung\\\" (ZeHS) am Wettbewerb um eine Förderempfehlung für Forschungsbauten an Hochschulen gemäß Art. 91b GG. Nach der erfolgreichen Verteidigung vor dem Wissenschaftsrat und der Bestätigung durch die gemeinsame Wissenschaftskonferenz des Bundes und der Länder stehen der Universität in den Jahren 2015 bis 2020 41,5 Mio. Euro für die Baukosten und die Beschaffung ausgewählter Großgeräte zur Verfügung. Der Forschungsbau, der für Wissenschaftler aller Fakultäten der TU Bergakademie Freiberg offen ist, ermöglicht die strukturelle Bündelung der an der Universität in den Bereichen Hochtemperatur-Prozesse und -Materialien in einzigartiger Weise vorhandenen Kompetenzen. Der Fokus des ZeHS liegt auf der Entwicklung innovativer, ressourcen- und energieeffizienter Technologien im Bereich der Grundstoffindustrie, wobei Prozess- und Materialanforderungen in der Chemischen Industrie, der Metallurgie sowie der Keramik-, Glas- und Baustoffindustrie zusammenhängend betrachtet werden und die Ergebnisse auch auf andere Branchen übertragbar sind.

This study aims to introduce a new qualification approach designed to enhance the overall integrity of complex cooling structures in gas turbine blades produced through 3D printing, with a focus on achieving maximum density. The primary objective is to present a comprehensive qualification and validation methodology tailored for components manufactured via binder jetting printing and non-selective laser melting (SLM) powder-based atomic diffusion additive manufacturing. This innovative qualification approach undergoes validation through stages encompassing design, printing, comprehension of thermal debinding and sintering processes, post-processing, optimization, and characterization, all aimed at achieving complex cooling structures with optimal density using stainless steel material and In718 as a case study. Subsequently, the material properties obtained are compared with those of IN718 produced via laser-based manufacturing. Thorough characterization is conducted before and after sintering to assess the impact of sintering on density enhancement. Experimental optimization employing the Taguchi matrix with an L9 orthogonal array involves the selection of three key parameters: sintering time, sintering temperature, and heat treatment. The procedural framework established in this research applies to high-temperature applications wherein components are fabricated using atomic diffusion additive manufacturing or binder jetting printing techniques. Testing and inspection procedures involve neutron scattering, radiography, and CT scanning methods, with a specific emphasis on neutron scattering measurements conducted under externally heated and internally cooled conditions to evaluate residual strains within the gas turbine environment. Understanding the interplay between residual stresses originating from manufacturing processes and thermal stresses provides valuable insights into the impact of additive manufacturing on component performance in thermal environments, thus contributing to the advancement of the proposed study.

Textile high-performance filament yarn subjected to extremely high thermal loads can be found in various technical application fields. Besides the mechanical loads, textile fiber materials have to also satisfy high safety requirements in these applications with respect to thermal loads. Some of the main fields of application in the field of mechanical engineering are turbines, drive devices, rocket components and fire protection coatings. Textile grid-like structures are also being increasingly used in civil engineering as reinforcements (textile concretes). The design and development of textile structures for these applications demands studying and acquiring the material behavior under high thermal loads. Neither sufficient data nor standardized testing methods have been extensively achieved for evaluating the tensile characteristics of filament yarns under thermal influences. Hence, studying the thermal behavior of these yarns, which are used as input material for the reinforcing structures, is essential. The impact of the standard atmospheric condition on the oxidation behavior of the yarns, as in the case of carbon filament yarns and their influence on the physicochemical and tensile mechanical properties, have to be studied as well. This paper aims to address this issue and provides an insight into the current research about the development and realization of a novel test stand and the subsequent study of tensile mechanical behavior for textile high-performance fiber material under extreme thermal loads together with their physicochemical behavior.

Um die Leistung und Lebensdauer von energietechnischen Komponenten weiter zu steigern, sind höhere Leistungen, Leistungsdichten sowie Prozesswirkungsgrade zentrale Bestandteile künftiger Entwicklungen. Mit steigernden Leistungsdichten erhöhen sich auch stetig die Belastungen der einzelnen Komponenten. Zusammen mit neuen Werkstoffen und technologischem Fortschritt, wie beispielsweise verbesserten Kühltechnologien oder strömungstechnischen Optimierungen ermöglicht auch eine verbesserte Kenntnis der Belastungsbedingungen und des Schädigungsverhaltens höhere Leistungen und Leistungsdichten. Aktuelle Gasturbinen und oft auch Kraftwerkskomponenten unterliegen zusätzlich zu den mechanischen und zeitlich variablen thermischen Beanspruchungen auch großen örtlichen thermischen Gradienten, die die Lebensdauer der Komponenten stark beeinflussen. Diese thermischen Gradienten induzieren zum einen zusätzliche Beanspruchungen und die örtlich variablen Temperaturfelder führen zum anderen zu stark variierenden Werkstofffestigkeiten. In dieser Arbeit wird ein Prüfstand zur realistischen Prüfung eines typischen Gasturbinenschaufelmaterials Mar-M247 entwickelt und mit diesem eine systematische experimentelle Untersuchung des Einflusses thermischer Gradienten auf die niederzyklische Ermüdungsfestigkeit unter erhöhten Temperaturen durchgeführt. Im weiteren Teil der Arbeit wird ein visko-elasto-plastisches Materialmodell weiterentwickelt, um die lokal unsymmetrische Beanspruchung der Proben unter zyklischer Last realistisch abbilden zu können. Mit Hilfe von Experimenten aus der Literatur werden dabei zunächst die Grenzen und Möglichkeiten des Modells diskutiert, um es dann auf den konkreten Werkstoff anzupassen. Der wesentliche Vorteil des entwickelten Modells liegt in der verbesserten Beschreibung des zyklischen Kriechens und zyklischen Relaxierens (Ratcheting) insbesondere unter einachsiger Beanspruchung und in der nachträglichen Anpassungsmöglichkeit des spezifischen Ratchetingterms nach der Anpassung aller anderen Materialparameter. Die Analyse der experimentell ermittelten Lebensdauern erfolgt sowohl mit ingenieurmäßigen Methoden basierend auf der spannungsabhängigen Lebensdauerbeschreibung nach Basquinund Wöhler als auch mittels eines lokalen bruchmechanischen Ansatzes, der es ermöglicht,sowohl die Rissinitiierung als auch den Rissfortschritt unter variabler Temperatur und kombinierter Kriech- und Ermüdungsbeanspruchung zu beschreiben. Das Material- und Lebensdauermodell werden zusammen im letzten Teil der Arbeit eingesetzt, um das Verformungs- und Lebensdauerverhalten der untersuchten Proben zu berechnenund es kann gezeigt werden, dass sich die Versuche mit sehr guter Qualität wiedergeben lassen.:Versicherung i Abstract iii Kurzfassung v List of abbreviations and symbols xi 1 Introduction 1 2 Objective 5 3 State of the art 7 3.1 Thermal and mechanical loading of gas turbine components . . . . . . . . . . 7 3.2 Material characterisation of nickel-based superalloys . . . . . . . . . . . . . . 9 3.3 Deformation modelling based on constitutive material laws . . . . . . . . . . 13 3.3.1 Ramberg-Osgood material law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 3.3.2 Strain and stress tensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3.3.3 Thermodynamic principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3.4 Elasto-visco-plastic material models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 3.4.1 Isotropic hardening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.4.2 Kinematic hardening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.4.3 Kinematic hardening for improved simulation of ratcheting . . . . . . 18 3.4.4 Viscosity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.5 Failure at elevated temperatures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.5.1 Fundamental fatigue life models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.5.2 Creep . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.5.3 Crack growth models for fatigue loading . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.5.4 Creep crack growth based on C(t) and C ∗ . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.5.5 Temperature dependency and normalization methods . . . . . . . . . 35 3.5.6 Lifetime under temperature variation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.5.7 Influence of mean stresses on lifetime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.5.8 Influence of oxidation on failure at elevated temperatures . . . . . . . 42 3.5.9 Constitutive damage and crack growth models . . . . . . . . . . . . . 45 3.6 Experimental methods for the generation of large homogeneously distributed heat flux densities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.6.1 Resistance heating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.6.2 Inductive heating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3.6.3 Convective heating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.6.4 Laser based heating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.6.5 Radiation heating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.7 Conclusion on the state of the art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 4 Development of a test system for cyclic fatigue tests under homogeneous surface temperature conditions 59 4.1 Boundary conditions for the development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 4.2 Concept for a test system with a new highly focusing heating . . . . . . . . . 60 4.2.1 Simulation of heat fluxes of different furnace geometries by ray-tracing 60 4.3 Definition of reflection and transmission coefficient . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.3.1 Simulation of the radiation behaviour for the furnace concepts . . . . 66 4.4 Analytical calculation of heat transfer inside the hollow specimen . . . . . . . 71 4.5 Finite element calculation of temperature distribution in the specimen wall . 73 4.6 Design and evaluation of the specimen internal cooling system . . . . . . . . . 75 4.6.1 Installation of heating and development of the load train . . . . . . . 81 5 Experimental investigation 85 5.1 Measurement of surface temperatures and thermal gradients . . . . . . . . . . 87 5.1.1 Measurement of surface temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 5.1.2 Axial surface temperature distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 5.1.3 Measurement of thermal gradients across specimen wall . . . . . . . . 92 5.2 Results of isothermal ratcheting tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 5.3 Deformation behaviour of cyclic tests with superimposed thermal gradients . 98 5.3.1 Variation of mean strain and mean stress . . . . . . . . . . . . . . . . 98 5.4 Termination criteria for the tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 5.4.1 Measurement of modulus of elasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 5.5 Low cycle fatigue life of Mar-M247 with and without superimposed thermal gradient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 5.6 Results of hollow cylindrical specimen testing with thermal gradients . . . . . 108 6 Microstructural investigation 113 7 Deformation modeling with improved ratcheting simulation based on small scale strain theory 123 7.1 Modeling of ratcheting behaviour of Mar-M247 . . . . . . . . . . . . . . . . 123 7.1.1 Improvement of uniaxial ratcheting description for the Armstrong- Frederick-model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 7.1.2 Evaluation of the proposed model for multiaxiality . . . . . . . . . . . 129 7.2 Application of the deformation model on Mar-M247 . . . . . . . . . . . . . 132 8 Lifetime calculation of the nickel-base-superalloy Mar-M247 based on engineering and crack growth methods 139 8.1 Modification of the Krämer crack growth model . . . . . . . . . . . . . . . . 139 8.2 Choice of basic variable for the fatigue crack growth and crack initiation . . . 140 8.3 Oxidation based crack growth model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 8.4 Creep crack growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 8.5 Creep . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 8.6 Fatigue life . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 8.6.1 Extension of the Paris crack growth model based on intrinsic defect size152 8.6.2 Crack length independent formulation of J-integral . . . . . . . . . . . 154 8.7 Combined model for comprehensive description of the crack-initiation and -growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 8.7.1 Comparison to crack growth experiments . . . . . . . . . . . . . . . . 161 8.7.2 Comparison to fatigue experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 9 Application of material and crack growth model to the experiments with superimposed thermal gradient 167 9.1 Geometry function for the hollow specimen investigated . . . . . . . . . . . . 167 9.2 Application of the crack growth model on non-isothermal tests . . . . . . . . 170 9.2.1 Calculation of the stress strain field of hollow cylindrical specimen subjected to thermally induced stress gradients with the elasto-visco- plastic model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 9.2.2 Calculated crack growth behaviour under locally non-isothermal con- ditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 10 Conclusion and outlook 181 Bibliography 185