(LDA Messung rot: Messvolumen )

1. Versuchsauswertung • 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 • Laserdoppleranemometer (LDA) • Messung der Partikelgeschwindigkeit • Pitot-Rohr • Messung der Luftgeschwindigkeit • Pyrometer • Messung der Oberflächentemperatur • Optimierung • Probenvorbehandlung • Ionenätzverfahren • Beschichtungsverfahren • Schichtarchitektur • Nachbehandlung Motivation Ziel Ziel 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. • 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 • TU-Berlin – Modellierung von Erosionsmechanismen • BTU-Cottbus – Eigene Forschungen an MAX-Phasen- Dünnschichtsystemen • Optimierung von Schichtsystemen 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 Einsatz-bedingungen 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. • Erosionstest Quelle: MTU Optimierung des Erosionsverhaltens Gute Schichtsysteme sind durch eine lange Inkubationszeit des Masse-verlustes pro Masse Erosionsmittel gekennzeichnet, d.h. einen möglichst flachen Kurvenverlauf der Erosionsrate. Einsatz von Triebwerken in Wüstengebieten Quelle: Flickr.com Prinzipskizze Einflussparameter Technische Daten Zukünftige Projekte und Partner Max. Luftgeschwindigkeit: 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. Quelle: A. Kohns (2009) Quelle: M. Rusch Verwendete Partikel Verhalten der Partikel im Luftstrahl Oberflächeneffekte Den größten Einfluss auf die Erosionsrate stellt das Verhältnis der Partikelhärte zur Oberflächen-härte dar. Nach Torrance (2005) Ha > 1,2 Hs Ha – Härte des Strahlmittels Hs – Oberflächenhärte Duktiles Verhalten Sprödes Verhalten 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. 40-80μm / 6 Mohs Microbeads Beschichtung fast vollständig deformiert Scharfkantige ebene Bruchflächen Erste Erosionspartikel deformieren Beschichtung Beschichtete Probe vor Erosionstests InfluenceofParticleShape 200-300μm / 6 Mohs Quelle: Naveed (2009) 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. Oberflächentemperatur einer beheizten Probe während eines Erosionstests 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 Risswachstumgehemmt werden. Glass grit 75-310μm / 7 Mohs Prozess Abb. 1: Werkstoff-verhalten in Abhängigkeit des Einfall-winkels Quelle: Hutchings (1992) InfluenceofParticleSize Bragg -Zelle (LDA Messung rot: Messvolumen) Strahlteiler MIL 8712 Objektlinse Substrat: IN718 Strahlmittel: Microbeads Partikelgeschwindigkeit: 180 m/s Prozessdauer: 6 min Abb. 2: Schematische Darstellung eines Multilagen-systems Größere Partikel besitzen eine höhere Impulsenergie als kleinere Partikel und dadurch ein höheres Schadenspotential. 200-313μm / 9 Mohs Detektor Empfänger Pyrometer Oberflächentemperaturmessung • für die Reproduzierbarkeit ist eine konstante Prozesstemperatur notwendig • die Abweichung während der Erosionsversuche ist sehr gering Laser Rückstreuung x Prinzipaufbau Laser-Doppler-Anemometrie Korundum Quelle: Rolls-Royce Deutschland (2005) Quelle: Tilly (1973)