forschungsanlage für experimentelle erosion - WWW

Report
Motivation
Einsatz von Triebwerken in Wüstengebieten
Quelle: Flickr.com
Zukünftige Projekte und Partner
In der heutigen Zeit werden häufig wertvolle
Hochleistungswerkstoffe eingesetzt, weshalb
der Schutz gegen Erosion einen immer
höheren Stellenwert erhält. Die Nachfrage
nach einem wirksamen Erosionsschutz ist
groß, besonders in der Luftfahrtindustrie.
Flugzeuge
werden
weltweit
unter
verschiedensten klimatischen Bedingungen
eingesetzt,
unter
anderem
auch
in
Wüstenregionen, wo Sand in die Triebwerke
gelangt. Durch die hohe kinetische Energie
von Sandkörnern in Triebwerkskomponenten
werden die Verdichterschaufeln allmählich
abgetragen, was zu einem schlechteren
Wirkungsgrad
und
damit
höheren
Treibstoffverbrauch führt.
Ziel
Im
Vordergrund
steht
die
Charakterisierung
verschiedener Schichtsysteme hinsichtlich ihrer
dauerhaften Widerstandsfähigkeit gegenüber erosiven
Bedingungen. Zu diesem Zweck wurde ein
Erosionsprüfstand konstruiert und in Betrieb
genommen, der es ermöglicht, diese Einwirkungen bei
Raumtemperatur
und
unter
realen
Einsatzbedingungen an Komponenten zu simulieren. Dabei
wird eine Optimierung bestehender Schichtsysteme
angestrebt, gleichzeitig werden aber auch neue
Schichten erprobt. Das Augenmerk liegt dabei auf der
Erzeugung
einer
Struktur,
welche
einen
geringstmöglichen Masseverlust an der Probe unter
bestimmten genormten Bedingungen zur Folge hat.
•Untersuchungen an Flachproben und Komponenten für
Rolls-Royce-Deutschland
•WING Projekt– BMBF, „ Metall-Keramik-Viellagenschichten
für den Erosionsschutz von Flugturbinen“
•Untersuchung von CFK-Verbundwerkstoffen für das
deutsche Luft-u.Raumfahrtzentrum
Quelle: MTU
•TU-Berlin – Modellierung von Erosionsmechanismen
•BTU-Cottbus – Eigene Forschungen an MAX-PhasenDünnschichtsystemen
Prinzipskizze
Optimierung des Erosionsverhaltens
• 3D-Profilometer
Visualisierung des Probenreliefs
• Rasterelektronenmikroskop (REM)
Charakterisierung der
Oberflächenbeschaffenheit
• Mikrowaage
Bestimmung des Masseverlustes
• Mikroskopie
Gefügeanalyse, Schichtdicken
• Röntgen-Dünnschichtdiffraktometer
Phasenanalyse
• Nanoindenter
Ermittlung mechanischer
Eigenschaften
• Rasterkraftmikroskop (AFM)
Nano-Oberflächenstrukturanalyse
Erosionstest
Gute Schichtsysteme sind durch eine lange Inkubationszeit des Masseverlustes pro Masse Erosionsmittel gekennzeichnet, d.h. einen möglichst
flachen Kurvenverlauf der Erosionsrate.
Technische Daten
Max. Luftgeschwindigkeit:
Versuchsauswertung
• Laserdoppleranemometer (LDA)
Messung der
Partikelgeschwindigkeit
• Pitot-Rohr
Messung der
Luftgeschwindigkeit
• Pyrometer
Messung der
Oberflächentemperatur
Ziel
Optimierung
• Probenvorbehandlung
• Ionenätzverfahren
• Beschichtungsverfahren
• Schichtarchitektur
• Nachbehandlung
Optimierung von
Schichtsystemen
Einflussparameter
Strömungsbedingungen
343 m/s (bei RT)
650 m/s (bei 500°C,calc.)
Max. Drucklufttemperatur:
500 °C
Max. Partikelmenge:
200 g/min
Max. Partikelgröße:
1000 μm
Winkel:
0°; 15°; 30°; 45°;
60°; 75°; 90°
Testmöglichkeiten:
Kalterosion
Warmerosion
Durch die gezielte Kombination der Prozessparameter
Partikelgröße, Druck und Temperatur und deren
konstruktiver Umsetzung in einem adaptiven Prüfstand
kann ein breites Spektrum an Prüfszenarien
abgedeckt werden.
Partikeleigenschaften
Oberflächeneigenschaften
Strahlwinkel
Größe
Härte
Partikelgeschwindigkeit
Form
Bruchzähigkeit
Partikelrotation
Härte
Struktur
Partikelkonzentration im
Fluid
Festigkeit
Abhängigkeit der
Spannungen von
Dehnung, Dehnungsgeschwindigkeit u.
Temperatur
Art des Fluids
Eigenspannungen
Temperatur
Bruchdehnung
Quelle: A. Kohns (2009)
Quelle: M. Rusch
0.25
40-80μm / 6 Mohs
Ti-6246- Glass
Total Mass Loss (g)
0.2
Micro beads
Ti-6246- Corundum
0.15
0.1
0.05
0
0
200-300μm / 6 Mohs
Glass grit
75-310μm / 7 Mohs
10
20
30
40
Mass of sand (g)
50
60
Den größten Einfluss auf die
Erosionsrate stellt das Verhältnis
der Partikelhärte zur Oberflächenhärte dar. Nach Torrance (2005)
Ha > 1,2 Hs
Ha – Härte des Strahlmittels
Hs – Oberflächenhärte
Quelle: Naveed (2009)
Influence of ParticleShape
Mit Hilfe von Laser Doppler Anemometer –
Messungen ist es möglich die Geschwindigkeit,
Flugrichtung,
Größe
der
Partikel
und
dieTeilchenstromdichte ermittelt werden.
Durch die Analyse von Messwerten wird ein
Geschwindigkeitsprofil für die auftreffenden und
reflektierten Partikel bestimmt.
Der
Materialabtrag
wird
maßgeblich durch die Form der
Partikel bestimmt und folgt einem
einfachen Zusammenhang. Je
größer die Eindringtiefe des
Partikels in die Oberfläche, desto
höher ist die Erosionsrate.
Oberflächeneffekte
Duktiles Verhalten
50
40
30
Energieabsorption
20
300
10
0
200
220
240
260
280
300
Geschwindigkeit [m/s]
Oberflächentemperatur einer beheizten Probe
während eines Erosionstests
Quadrat der
Geschwindigkeitsdifferenz ist
proportional zur
Energieabsorption
der Schicht
250
200
150
100
Prozess
Druck Trägergas [bar]
Einfallende Partikel
E Kin 
Influence of ParticleSize
(LDA Messung rot: Messvolumen)
MIL 8712
Größere Partikel besitzen eine
höhere Impulsenergie als kleinere
Partikel und dadurch ein höheres
Schadenspotential.
200-313μm / 9 Mohs
Korundum
Quelle: Tilly (1973)
Substrat: IN718
Strahlmittel: Micro beads
Partikelgeschwindigkeit: 180 m/s
Prozessdauer: 6 min
Bragg -Zelle
• für die Reproduzierbarkeit ist eine
konstante Prozesstemperatur notwendig
• die Abweichung während der
Erosionsversuche ist sehr gering
2
m Partikel    v 
2
Detektor
Empfänger
Laser
Rückstreuung
x
Erste Erosionspartikel
deformieren Beschichtung
Beschichtung fast
vollständig deformiert
Monolagenschichten, z.B. Hartstoffschichten auf Stahl, sind
Stand der Technik, können aber gestiegenen Anforderungen
nicht genügen. Aus sehr unterschiedlichen Eigenschaften von
Substrat und Schicht, beispielsweise im thermischen
Ausdehnungsverhalten, können sich Probleme ergeben.
Keramische Schichten sind hart, aber auch spröde und können
unter Spannung schnell versagen. Metallische Schichten sind
zäh und duktil. Mit Mehrlagenschichten, die keramische und
metallische Eigenschaften miteinander verbinden, kann ein
optimales Verhältnis von Härte und Zähigkeit erreicht und
dadurch Risswachstum gehemmt werden.
Prinzipaufbau Laser-Doppler-Anemometrie
Anschrift
Kontakt
Ansprechpartner
BTU Cottbus
Lehrstuhl Metallkunde und Werkstofftechnik
Konrad-Wachsmann-Allee 17
03046 Cottbus




Lehrstuhlleitung:
Gruppenleiter Oberflächentechnik:
Strukturwerkstofftechnologie:
Prüfung und Charakterisierung:
+49(0)355 69 2815
+49(0)355 69 2828
[email protected]
www.tu-cottbus.de/mwt
1
Reflektierte Partikel
Strahlteiler
Objektlinse
Pyrometer Oberflächentemperaturmessung
Beschichtete Probe
vor Erosionstests
Scharfkantige ebene
Bruchflächen
50
0
Quelle: Hutchings (1992)
Sprödes Verhalten
Geschwindigkeitsverteilung
Partikelgeschwindigkeit [m/s]
Influence of Particle Hardness
Verhalten der Partikel im Luftstrahl
Anzahl Partikel
Verwendete Partikel
Abb. 2:
Schematische
Darstellung
eines
Multilagensystems
Quelle: Rolls-Royce Deutschland (2005)
B ru c h e in e r S c h ic h t
Prof. Dr.-Ing. Sabine Weiß
M. Sc. Muhammad Naveed
Dipl.-Ing. Sebastian Bolz
Dipl.-Ing. Sebastian Bolz
Abb. 1: Werkstoff-verhalten in
Abhängigkeit des Einfall-winkels
 +49(0)355 69 4188
 +49(0)355 69 5105
 +49(0)355 69 5105
 [email protected]'
 [email protected][email protected]

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