Lebensdauertests für Hochtemperaturwerkstoffe unter triebwerksähnlichen Bedingungen: Aufbau und Inbetriebnahme der MTC-Prüfstände für das DLR

Kurzfassung

Hocheffiziente Gasturbinen, betrieben mit nachhaltigen Kraftstoffen, spielen für eine zukunftsfähige, klimaverträgliche Luftfahrt eine unverzichtbare Rolle. Der Einsatz innovativer Werkstoffe in Gasturbinen sowie etablierter Werkstoffe an neuen Betriebspunkten erfordert präzise und zuverlässige Lebensdauerprognosen. Die Lebensdauer von Triebwerkskomponenten wird durch das Zusammenwirken mechanischer, thermischer und chemischer Belastungen (MTC) und insbesondere durch deren gegenseitige Wechselwirkungen begrenzt. Lebensdauermodelle werden durch eine Kombination aus Felddaten und experimentellen Daten validiert. Da Prüfstandsversuche im Gegensatz zu Felddaten die Möglichkeit bieten, kontrollierte Bedingungen einzustellen und Einflussgrößen gezielt zu variieren, ist ihr Beitrag zur Validierung von Lebensdauermodellen unerlässlich. Wenn es darum geht, unter zwei der drei Belastungsarten (mechanisch, thermisch, chemisch) gleichzeitig zu testen, stehen hervorragende Werkstoffprüfkapazitäten für Forschung, Entwicklung und Industrie zur Verfügung. Die Wechselwirkungen zwischen den drei simultan einwirkenden Belastungsarten waren jedoch bislang experimentell weitgehend unzugänglich. Dieser Vortrag beschreibt die Entwicklung und den Aufbau einer Prüfstandsinfrastruktur, die auf einzigartige Weise Ermüdungstests von Materialproben unter MTC-Belastungen ermöglicht. Die vier MTC-Prüfstände sind mechanisch komplementär ausgelegt (biaxiale Ermüdung, uniaxiale Ermüdung, VHCF: very high cycle fatigue, Kriechermüdung), so dass sie die relevantesten Schädigungsverhalten in Flugzeugtriebwerken abdecken. In jedem der MTC-Prüfstände befindet sich der Prüfling in einem Druckbehälter, der mit einem variablen Gemisch aus Reingasen (N2, O2, CO2, NO, CO, SO2) sowie einem hohen Wasserdampfgehalt beaufschlagt werden kann, um den korrosiven Einfluss realer Triebwerksabgase zu simulieren. Darüber hinaus ist jeder MTC-Prüfstand mit einem neuentwickelten Laserheizsystem ausgestattet, das Materialtemperaturen von bis zu 1400°C ermöglicht und dank der schnellen und präzisen geregelten Abtastung der Probenoberfläche durch den Laserspot eine sehr hohe Temperaturhomogenität auf der Probe erreicht. Die zukünftigen Lebensdauertests von Hochtemperaturwerkstoffen unter kontrollierten, triebwerksähnlichen Bedingungen lassen einen Sprung in der Zuverlässigkeit und Präzision der Lebensdauervorhersagen erwarten und leisten damit einen Beitrag zu hocheffizienten, nachhaltigen Flugzeugtriebwerken.