(LDA Messung rot: Messvolumen )
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Anschrift BTU Cottbus Lehrstuhl Metallkunde und Werkstofftechnik Konrad-Wachsmann-Allee 17 03046 Cottbus FORSCHUNGSANLAGE FÜR EXPERIMENTELLE EROSION Kontakt +49(0)355 69 2815 +49(0)355 69 2828 [email protected] www.tu-cottbus.de/mwt Ansprechpartner Lehrstuhlleitung: Prof. Dr.-Ing. Sabine Weiß Gruppenleiter Oberflächentechnik: M. Sc. Muhammad Naveed +49(0)355 69 4188 'naveemuh@tu- cottbus.de' Strukturwerkstofftechnologie: Dipl.-Ing. Sebastian Bolz +49(0)355 69 5105 [email protected] Prüfung und Charakterisierung: Dipl.-Ing. Sebastian Bolz +49(0)355 69 5105 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. 0 50 100 150 200 250 300 Energieabsorption Einfallende Partikel Reflektierte Partikel Druck Trägergas [bar] Partikelgeschwindigkeit [m/s] Quadrat der Geschwindigkei ts-differenz ist proportional zur Energieabsorpt ion der Schicht 2 Partikel Kin v m 2 1 E (LDA Messung rot: Messvolumen) 200 220 240 260 280 300 0 2 4 6 8 10 12 Geschwindigkeitsverteilung Geschwindigkeit [m/s] Anzahl Partikel Motivatio n Prinzipskiz ze 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 Einsatz von Triebwerken in Wüstengebieten Quelle: Flickr.com Quelle: MTU 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 bestimmten Folge hat. Gute Schichtsysteme sind durch eine lange Inkubationszeit des Masse-verlustes pro Masse Erosionsmittel gekennzeichnet, d.h. einen möglichst flachen Kurvenverlauf der Erosionsrate. Ziel Technische Daten 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. Bruch einerSchicht Beschichtete Probe vor Erosionstests Erste Erosionspartikel deformieren Beschichtung Beschichtung fast vollständig deformiert Duktiles Verhalten Sprödes Verhalten Scharfkantige ebene Bruchflächen Optimierung des Erosionsverhaltens Einflussparameter Strömungs- bedingungen Partikel- eigenschaf ten Oberflächen- eigenschaften Strahlwinke l Größe Härte Partikel- geschwindig keit Form Bruchzähigkeit Partikelrot ation Härte Struktur Partikel- konzentrati on im Fluid Festigkeit Abhängigkeit der Spannungen von Dehnung, Dehnungs- geschwindigkeit u. Temperatur Art des Fluids Eigenspannungen Temperatur Bruchdehnung Verwendete Partikel Oberflächentemperatur einer beheizten Probe während eines Erosionstests Substrat: IN718 Strahlmittel: Micro beads Partikelgeschwindigkeit: 180 m/s Prozessdauer: 6 min Prozess Pyrometer Oberflächentemperaturmessung • für die Reproduzierbarkeit ist eine konstante Prozesstemperatur notwendig • die Abweichung während der Erosionsversuche ist sehr gering Quelle: A. Kohns (2009) Größere Partikel besitzen eine höhere Impulsenergie als kleinere Partikel und dadurch ein höheres Schadenspotential. Quelle: Hutchings (1992) Influence of ParticleShape 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. Den größten Einfluss auf die Erosionsrate stellt das Verhältnis der Partikelhärte zur Oberflächen-härte dar. Nach Torrance (2005) H a > 1,2 H s H a – Härte des Strahlmittels H s – Oberflächenhärte Abb. 1: Werkstoff-verhalten in Abhängigkeit des Einfall- winkels Abb. 2: Schematische Darstellung eines Multilagen- systems Laser Strahlteile r Bragg - Zelle Objektli nse Detektor Empfänger Rückstreuung x Prinzipaufbau Laser-Doppler- Anemometrie Oberflächeneffekte Verhalten der Partikel im Luftstrahl Influence of ParticleSize Quelle: Tilly (1973) Quelle: Rolls-Royce Deutschland (2005) 0 10 20 30 40 50 60 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 Influence of Particle Hardness Ti-6246- Glass Mass of sand (g) Total Mass Loss (g) Quelle: Naveed (2009) Zukünftige Projekte und Partner • 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 Korundum 200-313μm / 9 Mohs 40-80μm / 6 Mohs Micro beads Glass grit 200-300μm / 6 Mohs 75-310μm / 7 Mohs MIL 8712 • Laserdoppleranemometer (LDA) Messung der Partikelgeschwindigkei t • Pitot-Rohr Messung der Luftgeschwindigkeit • Pyrometer Messung der Oberflächentemperatur • 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 Optimierung • Probenvorbehandlung • Ionenätzverfahren • Beschichtungsverfahr en • Schichtarchitektur • Nachbehandlung Optimierung von Schichtsysteme n Erosionstest Versuchsauswer tung 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. Quelle: M. Rusch
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Versuchsauswertung. 3D-Profilometer Visualisierung des Probenreliefs R aster e lektronen m ikroskop (REM) Charakterisierung der Oberflächenbeschaffenheit Mikrowaage Bestimmung des Masseverlustes Mikroskopie Gefügeanalyse, Schichtdicken Röntgen- Dünnschichtdiffraktometer - PowerPoint PPT Presentation
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AnschriftBTU CottbusLehrstuhl Metallkunde und WerkstofftechnikKonrad-Wachsmann-Allee 1703046 Cottbus
FORSCHUNGSANLAGE FÜR EXPERIMENTELLE EROSION
Kontakt +49(0)355 69 2815 +49(0)355 69 2828 [email protected] www.tu-cottbus.de/mwt
AnsprechpartnerLehrstuhlleitung: Prof. Dr.-Ing. Sabine WeißGruppenleiter Oberflächentechnik: M. Sc. Muhammad Naveed +49(0)355 69 4188 '[email protected]'Strukturwerkstofftechnologie: Dipl.-Ing. Sebastian Bolz +49(0)355 69 5105 [email protected]üfung und Charakterisierung: Dipl.-Ing. Sebastian Bolz +49(0)355 69 5105 [email protected]
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.
0
50
100
150
200
250
300
Energieabsorption
Einfallende Partikel Reflektierte Partikel
Druck Trägergas [bar]
Parti
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eit [
m/s
] Quadrat der Geschwindigkeits-differenz ist proportional zur Energieabsorption der Schicht
2PartikelKin vm
21E
(LDA Messung rot: Messvolumen)
200 220 240 260 280 3000
2
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6
8
10
12
Geschwindigkeitsverteilung
Geschwindigkeit [m/s]
Anza
hl P
artik
el
Motivation Ziel
Prinzipskizze
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.
Einsatz von Triebwerken in Wüstengebieten
Quelle: Flickr.com
Quelle: MTU
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.
Gute Schichtsysteme sind durch eine lange Inkubationszeit des Masse-verlustes pro Masse Erosionsmittel gekennzeichnet, d.h. einen möglichst flachen Kurvenverlauf der Erosionsrate.
Ziel
Technische DatenMax. 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 Prüfszenarienabgedeckt werden.
Bruch einer Schicht
Beschichtete Probe vor Erosionstests
Erste Erosionspartikel deformieren Beschichtung
Beschichtung fast vollständig deformiert
Duktiles Verhalten Sprödes Verhalten
Scharfkantige ebene Bruchflächen
Optimierung des Erosionsverhaltens EinflussparameterStrömungs-bedingungen
Partikel-eigenschaften
Oberflächen-eigenschaften
Strahlwinkel Größe Härte
Partikel-geschwindigkeit
Form Bruchzähigkeit
Partikelrotation Härte Struktur
Partikel-konzentration im
Fluid
Festigkeit Abhängigkeit der Spannungen von
Dehnung, Dehnungs-geschwindigkeit u.
Temperatur
Art des Fluids Eigenspannungen
Temperatur Bruchdehnung
Verwendete Partikel
Oberflächentemperatur einer beheizten Probe während eines Erosionstests
Substrat: IN718Strahlmittel: Micro beadsPartikelgeschwindigkeit: 180 m/sProzessdauer: 6 min
Prozess
Pyrometer Oberflächentemperaturmessung
• für die Reproduzierbarkeit ist eine konstante Prozesstemperatur notwendig
• die Abweichung während der Erosionsversuche ist sehr gering
Quelle: A. Kohns (2009)
Größere Partikel besitzen eine höhere Impulsenergie als kleinere Partikel und dadurch ein höheres Schadenspotential.
Quelle: Hutchings (1992)
Influence of ParticleShape
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.
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 StrahlmittelsHs – Oberflächenhärte
Abb. 1: Werkstoff-verhalten in Abhängigkeit des Einfall-winkels
Abb. 2: SchematischeDarstellung eines Multilagen-systems
Laser
StrahlteilerBragg -ZelleObjektlinse
DetektorEmpfänger
Rückstreuungx
Prinzipaufbau Laser-Doppler-Anemometrie
OberflächeneffekteVerhalten der Partikel im Luftstrahl
Influence of ParticleSize
Quelle: Tilly (1973) Quelle: Rolls-Royce Deutschland (2005)
0 10 20 30 40 50 600
0.05
0.1
0.15
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0.25
Influence of Particle Hardness
Ti-6246- GlassTi-6246- Corundum
Mass of sand (g)
Tota
l Mas
s Los
s (g)
Quelle: Naveed (2009)
Zukünftige Projekte und Partner
• 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
Korundum
200-313μm / 9 Mohs
40-80μm / 6 Mohs
Micro beads
Glass grit
200-300μm / 6 Mohs
75-310μm / 7 Mohs
MIL 8712
• Laserdoppleranemometer (LDA) Messung der
Partikelgeschwindigkeit• Pitot-Rohr Messung der
Luftgeschwindigkeit• Pyrometer Messung der
Oberflächentemperatur
• 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
Optimierung• Probenvorbehandlung• Ionenätzverfahren• Beschichtungsverfahren• Schichtarchitektur• Nachbehandlung
Optimierung von SchichtsystemenErosionstest
Versuchsauswertung
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.
Quelle: M. Rusch
