Schädigung von Triebwerkskomponenten durch Vulkanasche: Möglichkeiten und Grenzen von Laborexperimenten

Kurzfassung

Ein Gefahrenpotential für Flugtriebwerke ist eingesaugte, aufgeschmolzene und abgelagerte Vulkanasche (VA) welche zu einem vorzeitigen Versagen der Wärmedammschichten (WDS) der thermisch höchstbelasteten Brennkammerwand bzw. der Turbinenschaufeln führen kann. Daher sind die entsprechenden Schädigungsmechanismen von Interesse. Ein wesentlicher Effekt ist die Infiltration der offenen Porosität von WDS durch geschmolzene VA, wodurch wesentliche Materialeigenschaften der WDS wie Dehnungstoleranz und Phasenstabilität beeinträchtigt werden. Aus Gründen der Praktikabilität sollte eine grundlegende Analyse zunächst durch Laborexperimente, d.h. unter einfach zu variierenden und standardisierbaren Bedingungen erfolgen. Im Rahmen des DLR Projekts VolCATS wurden künstliche Vulkanaschepartikel (artificial volcanic ash, AVA) als Prüfstaub für Labortests verwendet. Dabei wurden die AVA-Typen Ejafjalla und Grimsvötn ausgewählt, welche repräsentativ sowohl für die natürliche chemische Variabilität von VA als auch für die beiden letzten Vulkanausbrüche mit großen Impakt auf den europäischen Luftraum stehen. Die relevanten Schädigungsmechanismen durch eingesaugte und auf heißen WDS abgelagerte bzw. infiltrierte VA wurden mittels eigens hergestellten elektronenstrahl-aufgedampften WDS aus dem Standardmaterial 7 Gew.-% Yttriumoxid teilstabilisiertes Zirkonoxid (7-YSZ) ermittelt. Diese wurden diversen Infiltratiosszenarien ausgesetzt und anschließend die infiltrierten Volumina elektronenmikroskopisch analysiert. Letztendlich bestätigten die Experimente den überragenden Einfluss der chemischen Zusammensetzung welcher sich in der Viskosität der VA-Schmelzen, und damit in der Infiltrationsdynamik manifestiert. So ist die Infiltrationsgeschwindigkeit für Grimsvötn-AVA drastisch höher als für Ejafjalla-AVA. Aus den isotherm ermittelten Daten wurde ein Modell für die Infiltration für AVA des Ejafjalla- bzw. Grimsvötn-Typs unter realen Bedingungen, d.h. im Temperaturgradient, erstellt. Die realen Bedingungen in einem Flugtriebwerk wurden durch Infiltrationsexperimente in einem thermischen Gradient unter Verwendung eines realen Werkstoffsystems, d.h. Ni-Basislegierung mit Bondcoat und 7-YSZ WDS, approximiert. Die Laborexperimente wurden in einem erdgasbefeuerten Brennerprüfstand unter turbinenrelevanten Temperaturgradienten (WDS-Oberfläche ca. 1225°, WDS-Unterseite ca. 1075°C) durchgeführt und bestätigten den kontrollierenden Einfluss der Viskosität der VA-Schmelze auf die Schädigung der WDS. Es zeigte sich jedoch auch, dass das isotherm generierte Infiltrationsmodell keine akkurate Übereinstimmung mit den im Gradienten beobachteten Infiltrationstiefen liefert: während unter konstanten Bedingungen die Infiltrationstiefe hinter der Prognose zurückblieb wurde unter thermozyklischen Bedingungen insbesondere für Grimsvötn-AVA eine deutlich tiefere Infiltration beobachtet. Plausibel ist einerseits eine Abweichung der realen Temperaturen (bzw. Temperaturgradienten) von den gemessenen Werten, andererseits auch herstellungsbedingte Fluktuationen im Gefüge der WDS. Die Übertragung der in Laborexperimenten gewonnenen Erkenntnisse auf reale Flugtriebwerke bleibt somit eine Herausforderung für zukünftige Forschungsarbeiten.