Institut für Anwendungstechnik Pulvermetallurgie und Keramik an der RWTH Aachen e.V.

Forschung

FV13009 Ceramic Lining for Gasturbines (Phase2) – Sintersimulation von co-gesinterten keramischen Multilayer-Laminaten

Laminierte keramische Kompositwerkstoffe bieten die Möglichkeit durch Variation der Schichtwerkstoffe und deren Anordnung Bauteile mit anwendungsoptimierten Eigenschaften herzustellen. Diese keramischen Laminate werden über das sogenannte Co-Sinterverfahren hergestellt, wobei die heißgepressten Grünkörper der verschiedenen Schichten gemeinsam gesintert werden. Die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und unterschiedlichen Sinterschwindungen der eingesetzten Werkstoffe führen dabei zu Eigenspannungen, die zu Delaminierung und/oder zum Bruch des Bauteils führen können.

Es wurden viskose Sintersimulationsmodelle implementiert durch die das Verdichtungs- und Verformungsverhalten monolithischer Keramiken bei freiem Sintern berechnet werden können. Diese Modelle wurden modifiziert, um Eigenspannungszustände in keramischen Werkstoffverbunden während des sogenannten „constrained sintering“ darzustellen. Mit Hilfe der Schadenskriterien kann damit die Schichtkompatibilität überprüft und frühzeitiges Versagen untersucht bzw. ausgeschlossen werden. Die Implementierung der Modelle in ein Optimierungsverfahren erlaubt eine anwendungsspezifische Optimierung der Schichtverbunde anhand eines bereits existierenden Portfolios von zur Verfügung stehenden Einzelschichten. Um realistische Eingangsdaten für die Modelle zu generieren ist eine Charakterisierung dieser Werkstoffe notwendig. Diese Daten werden mittels speziell für diesen Zweck entwickelten Prüfständen durch das IAPK ermittelt. Dazu gehören unter anderem Viskosimetrieversuche bis 1550°C, dynamische E-Modul-Messungen bis 1550°C und auf Gasabschreckung basierende Thermoschockprüfungen. Die Validierung der Simulationen findet anhand von Eigenspannungsmessungen an keramischen Schichtverbunden, sowie durch Verformungsexperimente, statt.

Weiterhin werden die Modelle eingesetzt, um die Beanspruchbarkeit der Schichtverbunddesigns zu berechnen, insbesondere unter zyklischen Thermoschock. Um zusätzlich ein „near-net-shaping“ der laminierten Bauteile zu erreichen, wird das Modell mit einem Topologieoptimierer erweitert.

Ausgangs- und Endform einer keramischen Schicht vor und nach dem Sintern. Die Volumenänderung wird über die Änderung der Dichte als Funktion der Temperatur und der Zeit berechnet.
Abbildung 1: Ausgangs- und Endform einer keramischen Schicht vor und nach dem Sintern. Die Volumenänderung wird über die Änderung der Dichte als Funktion der Temperatur und der Zeit berechnet.
Simulation der Verformung und des Eigenspannungszustands eines 2-Schicht Laminates mit unterschiedlichem Verdichtungsverhalten der Einzelwerkstoffe
Abbildung 2: Simulation der Verformung und des Eigenspannungszustands eines 2-Schicht Laminates mit unterschiedlichem Verdichtungsverhalten der Einzelwerkstoffe
Schematische Zeichnung des Biegebalkenviskosimetrie-Prüfstands am IAPK, mit dessen Hilfe das Kriechverhalten und die Festigkeit des Werkstoffs bis 1550°C gemessen werden kann.
Abbildung 3: Schematische Zeichnung des Biegebalkenviskosimetrie-Prüfstands am IAPK, mit dessen Hilfe das Kriechverhalten und die Festigkeit des Werkstoffs bis 1550°C gemessen werden kann.
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