Einsatz von Rayleigh-Wellen zur Untersuchung von Eigenspannungen in randzonenverfestigten Triebwerkswerkstoffen

Entscheidenden Einfluss auf die Lebensdauer von hochbeanspruchten Bauteilen, wie Komponenten in Flugzeugtriebwerken, haben u.a. die Werkstoffeigenschaften in den Randzonen. Durch den Einsatz von Verfestigungsverfahren wie Kugelstrahlen und Festwalzen werden die Bauteiloberflächen plastisch verformt, wodurch oberflächennahe Eigenspannungszustände eingebracht werden und sich die Oberflächenrauhigkeit verändert. Die zerstörungsfreie Ermittlung des induzierten Spannungsprofils stellt aufgrund von verschiedenen, teilweise konkurrierenden Gefügeeffekten eine anspruchsvolle Aufgabe dar. In vorangegangenen Untersuchungen wurden die erzielbaren Messeffekte an Nickel- und Titan-Werkstoffen bei der Ultraschall-Spannungsmessung im Bauteilvolumen evaluiert und als aussagekräftig bewertet. Ziel der in diesem Beitrag vorgestellten Untersuchungen war es daher festzustellen, ob der akusto-elastische Effekt, d.h. die Abhängigkeit der Ultraschallgeschwindigkeit von den Spannungszuständen im Werkstoff, auch zur Quantifizierung von Eigenspannungen in den verfestigten Randzonen herangezogen werden kann. Aufgrund der frequenzabhängigen Eindringtiefe der verwendeten Rayleigh-Wellen können aus den Dispersionskurven Tiefeninformationen gewonnen werden. Ausführliche experimentelle Untersuchungen mit einem breitbandigen Ultraschallgoniometer wurden an unterschiedlich verfestigten Oberflächen von IN718- und Ti6246-Testkörpern durchgeführt. In unserem Beitrag stellen wir alle notwendigen Schritte zur Ultraschall-Spannungsmessung mittels Rayleigh-Wellen dar und bewerten die an den verschiedenen Testkörpern erzielten Ergebnisse unter Berücksichtigung möglicher Verbesserungspotentiale.