KUNDENHERAUSFORDERUNG
Strahltriebwerksturbinen müssen unter extremen Temperaturen, über viele Jahre hinweg und nach Millionen von Flugkilometern einwandfrei funktionieren. Wärmedämmschichten sind eine der Technologien, die dies möglich machen. Diese dünnen Schichten aus keramischem Material leiten nur sehr wenig Wärme, sodass die Turbinenschaufeln sehr hohen Temperaturen standhalten – und die Triebwerke effizienter arbeiten können.
An der University of Central Florida in Orlando werden derzeit fortschrittliche Forschungen zu Wärmedämmschichten durchgeführt. Die Schule ist eine Partneruniversität des Florida Center for Advanced Aero-Propulsion (FCAAP), einer staatlich finanzierten Forschungsorganisation, die gegründet wurde, um hochqualifizierte Arbeitskräfte zu entwickeln und neue Technologien für die Luft- und Raumfahrtindustrie zu entwerfen. An der UCF untersuchen Forscher des Fachbereichs Maschinenbau, Werkstoffe und Luft- und Raumfahrttechnik die Entwicklung von Dehnungen in Oxiden von Wärmedämmschichten, um Erkenntnisse zu gewinnen, die zur Verbesserung der Turbinenleistung beitragen werden.
Seetha Raghavan, Ph.D., leitet ein Team von Studenten, das sich mit der Analyse des Verhaltens der Oxidschicht von Wärmedämmschichten unter bestimmten thermischen und mechanischen Belastungen beschäftigt. Das Team nutzt sowohl die Spektroskopie als auch hochenergetische Röntgenstrahlung, um in situ Messungen an Prüflingen unter thermischer und mechanischer Belastung durchzuführen. Dieser Ansatz erlaubt es dem Team von Dr. Raghavan, genau zu beobachten, wie hochfeste Keramiken in Echtzeit versagen.
In der Vergangenheit war die Beobachtung von Spektralsignalen mit Dehnung auf einen mikrosondenbasierten Prüfaufbau beschränkt. Dieser Ansatz – mit seinen inhärenten Platzbeschränkungen – stellt jedoch hohe Anforderungen an die Geräteintegration. Versuche, spezialisierte Ladegeräte zu entwickeln, die in den Raum der Mikrosonde passen würden, haben bisher Systeme mit kompromittierten maximalen Lastbereichen, Kontrolle und Genauigkeit hervorgebracht.
Um diese Herausforderung zu meistern, entschied sich Dr. Raghavan für den Einsatz eines Raman-Spektrometers von Renishaw mit einer faseroptischen Sonde und koppelte dieses mit einem MTS-System, das eine präzise Raman-/Fotolumineszenz-Datenerfassung mit In-situ-Beladung über einen berührungslosen Fernlaser ermöglicht. Dies führte jedoch zu zusätzlichen Herausforderungen. Die Daten des Spektrometers und des Belastungssystems mussten interagieren, und beide Datenströme mussten während der Kompression oder Spannung in Echtzeit abgebildet werden.
Als zusätzliche Herausforderung erwies sich die Beschaffenheit der hohen Druckspannungen innerhalb der Oxide der Wärmedämmschichten selbst. Die Kalibrierung der spektralen Peaks mit der Dehnung im Druckversuch erforderte die Anwendung großer Lasten auf relativ kleine Querschnittsproben aus polykristallinem Aluminiumoxid. Da die Druckfestigkeit dieser Proben um mehr als eine Größenordnung höher ist als die Zugfestigkeit, würde die Generierung qualitativ hochwertiger Daten und die Vermeidung eines vorzeitigen Versagens eine sehr gleichmäßige und präzise Aufbringung von Drucklasten erfordern.
„Wir brauchten eine präzise, höchst zuverlässige Beladung mit hervorragender Kontrolle, in einem komplexen Aufbau mit mehreren anderen Instrumenten“, so Dr. Raghavan.
MTS-LÖSUNG
Um diese Anforderungen zu erfüllen, entschied sich Dr. Raghavan für ein MTS Insight 50 System mit einer Zweisäulen-Tischkonstruktion mit 50 kN. Dieses System bietet eine hochauflösende Steuerung während kontinuierlicher Belastungen sowie ein Halten der Last, während automatische Spannungslandkarten generiert werden – beides entscheidend für die Bestimmung des Dehnungsverhaltens der Oxide innerhalb von Wärmedämmschichten mittels Spektroskopie.
„Wir haben uns für das MTS Insight 50 System entschieden, weil es uns die Möglichkeit gibt, hochfeste Keramiken mit In-situ-Spektroskopie zu testen“, sagt Dr. Raghavan. „Außerdem haben wir den zusätzlichen Vorteil, dass wir mit MTS-Technikern arbeiten, die wissen, wie man diese komplexen Setups integriert.“
Der elektromechanische MTS Insight-Lastrahmen wird von der erstklassigen TestWorks®-Software gesteuert, die für die Erfüllung der Anforderungen des UCF-Teams unerlässlich ist. Die Software muss nahtlos mit der proprietären Spektrometersoftware zusammenarbeiten und sicherstellen, dass die Spektralsignale genau zum gleichen Zeitpunkt aufgezeichnet werden, zu dem die Lasten aufgebracht werden, damit die Spektrallastdiagramme genau sind.
„Die Techniker von MTS waren besonders hilfreich dabei, die TestWorks-Software an die Datenerfassungszeiten anzupassen und die Software so zu modifizieren, dass sie die Stämme aufnehmen kann“, sagte Dr. Raghavan. „Sie waren wirklich daran interessiert, dass diese neuartige Kombination von Instrumenten genau nach unseren Vorgaben funktioniert.“
Auch wenn die Instrumentierung und die Methoden im Labor hoch entwickelt sind, ist es wichtig, dass die Bedienelemente intuitiv und einfach zu bedienen sind.
„Senior Designstudenten aus unserer Abteilung nahmen die Herausforderung an, Hardware- und Software-Integrationsmodule für diese neuartige Instrumentierung zu entwickeln. Die gesamte MTS-Lösung war wirklich hilfreich, als das Senior Design Team die Messgeräte integrierte, weil sie nicht zu viel Zeit damit verbringen mussten, sich in die TestWorks-Software einzuarbeiten“, sagte Dr. Raghavan. „Sie ist wirklich flexibel, und die Schnittstelle ist für die Studenten einfach zu bedienen. Sie wird auch für unseren Laborunterricht sehr nützlich sein.“
KUNDENVORTEILE
Dr. Raghavan ist davon überzeugt, dass die Forschungsarbeiten der Abteilung zu Wärmedämmschichten zu effektiveren Werkzeugen für die Struktur- und Materialcharakterisierung in der gesamten Luft- und Raumfahrtindustrie führen werden.
„Das ist eine sehr spannende, aufstrebende Technologie“, sagte sie. „Diese Testmöglichkeiten geben uns eine hochentwickelte Methode der nicht-invasiven Messung, die uns in Bezug auf die mechanische Charakterisierung in situ erheblich voranbringen wird. Diese Methode zeigt ein starkes Potenzial für die Echtzeitbewertung von hochfesten Keramiken sowie von Kohlenstoff-Additiv-Verbundwerkstoffen im Feld. Sie wird hochwirksame Ergebnisse für die Luft- und Raumfahrt und für das breitere Feld der Materialwissenschaft liefern.“
Der Schlüssel dazu ist die Kalibrierung der spektralen Peaks mit hochgenauen und konsistent aufgebrachten Lasten, was mit der TestWorks-Software und dem MTS Insight 50-System leicht erreicht werden kann.
„Für unser Labor kommt es darauf an, zuverlässige, hochpräzise Beladungen durchzuführen und konstant hochwertige, hochauflösende Belastungsmessungen zu liefern. Deshalb haben wir uns für die Zusammenarbeit mit MTS entschieden“, sagt Dr. Raghavan.
Neben der Präzisionshardware ermöglichte die proaktive Herangehensweise der MTS-Techniker dem Labor, schnell und einfach eine effektive Testlösung zu erstellen.
„Die MTS-Techniker waren von unserem Projekt begeistert“, sagt Dr. Raghavan. „Sie waren wirklich proaktiv und halfen uns zu verstehen, was wir für diese sehr einzigartige Testanwendung benötigten. Wir haben ausführlich über die Integration gesprochen, bevor wir MTS-Produkte gekauft haben, und MTS hat sogar direkt mit dem Hersteller des Spektroskopiesystems über die Softwarekompatibilität gesprochen. Sie haben alles getan, um uns beim Erreichen unserer Ziele zu unterstützen. Gemeinsam verschieben wir erfolgreich die Grenzen dessen, was in der nicht-invasiven Materialcharakterisierung möglich ist.“
