Mikrostrukturbasierte in-situ Werkstoffcharakterisierung unter triebwerksnahen Bedingungen

Kurzfassung

Industrie und Forschung arbeiten daran, den CO2-Ausstoß von Strahltriebwerken zu minimieren, indem der Wirkungsgrad der konventionellen Gasturbine gesteigert wird. Dazu werden unter anderem innovative Werkstoffe favorisiert, die den hohen Temperaturen, korrosiven Angriff und mechanischen Belastungen in der Gasturbine widerstehen. Hierzu finden insbesondere im Heißgasbereich der Antriebsaggregate Werkstoffe wie Titan- und Nickel-Superlegierungen, aber auch Materialsysteme wie keramische Faserverbundwerkstoffe Anwendung. Diese Werkstoffe vereinen hohe mechanische Festigkeiten und Korrosionsbeständigkeit bei hoher Temperaturbeanspruchung. Die Kenntnis über die mechanischen Festigkeiten und Lebensdauer unter Langzeitbedingung ist von entscheidender Wichtigkeit im Zuge der Gasturbinenoptimierung. Die Durchführung entsprechender Versuche im Labormaßstab für die Industrie ist eine der Kernkompetenzen des Instituts für Test und Simulation für Gasturbinen des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt in Augsburg. Die Charakterisierung der Lebensdauer auf Mikroebene wird mit Hilfe des Mikrozuglastrahmens realisiert. Dieser Prüfstand erlaubt die Durchführung quasistatischer und dynamischer Versuchsszenarien an gegenüber der Norm verkleinerten Proben. Der wesentliche Vorteil gegenüber herkömmlichen Prüfständen liegt in der Miniaturisierung, die es erlaubt den Mikrozuglastrahmen im Rasterelektronenmikroskop einzusetzen und dadurch in-situ Mikroskopie durchzuführen. Mit Kräften von bis zu 10kN und Prüffrequenzen bis zu 1Hz werden insbesondere LCF-Versuche adressiert, die die Auflösung und Charakterisierung des Kurzrisswachstums unter zyklisch-mechanischer Belastung ermöglichen. Durch die Erweiterung der Anlage um ein Heizmodul können neben den mechanischen Lasten simultan auch Temperaturen zwischen Raumtemperatur und 1200°C auf den Prüfling angewendet werden. Somit erlaubt der Mikrozuglastrahmen unter mechanisch-thermischen Belastungszuständen die Wechselwirkung zwischen Werkstoffeigenschaften und Mikrostruktur innovativer Werkstoffe von Rissinitiierung bis hin zum Bruch zu analysieren.