Mehrachsige thermomechanische Prüfanlage
Die im Institut für Werkstoff-Forschung entwickelte Testanlage ermöglicht neben zeitlich variablen mechanischen und thermischen Lasten einen hohen thermischen Gradienten über der Probenwand. Der thermische Gradient wird in Hohlproben durch gleichzeitige Heizung der Außenwand mit einem konzentrierenden Strahlungsofen und Kühlung der Innenwand mit Druckluft aufgebaut. Nach der Aufheizphase des Prüflastzyklus stellt sich ein stationärer Temperaturgradient über der Probenwand ein.
Mehrachsige Spannungszustände entstehen in gekühlten Bauteilen aufgrund des Temperaturgradienten, der sich über der Bauteilwand einstellt. Bei Innenkühlung, zum Beispiel in den Schaufeln der ersten Stufe einer Triebwerkturbine, können die thermisch induzierten Spannungen nicht durch makroskopische Verformungen abgebaut werden. Durch die Zwängung des Bauteils entstehen mehrachsige Druckspannungen an der geheizten Seite und mehrachsige Zugspannungen an der gekühlten Seite. In herkömmlichen thermomechanischen Laborversuchen mit homogener Temperaturverteilung können diese Spannungszustände nicht erzeugt werden.
Die hohe Leistungsdichte des Strahlungsofens ermöglicht hohe Aufheizraten, vergleichbar mit denen in einem Flugzeugtriebwerk. Hohe Abkühlraten werden mit einer Luftdusche erreicht. Dabei wird die Probe während der Abkühlphase eines Lastzyklus mit Hilfe einer Schiebertechnik von zwei Halbschalen umschlossen und gleichzeitig mit kalter Druckluft angeblasen.
Die realitätsnahe thermomechanische Prüfung bietet den Vorteil, dass die Daten aus dem Laborversuch auf Betriebsbedingungen übertragbar sind. Ein weiterer entscheidender Vorteil der hier vorgestellten Versuchsanlage sind die extrem kurzen Lastzykluszeiten – zum Beispiel kann die Ermüdungsbeanspruchung, die während einer Flugmission in der Turbinenschaufel auftritt, in 3 bis 5 Minuten simuliert werden.
Kenndaten:
Die Heizleistung der Anlage beträgt 16 Kilowatt. Für eine zylindrische Hohlprobe aus Nickelbasis Superlegierung werden zum Beispiel folgende Versuchsdaten erreicht: Aufheizen von 100 Grad Celsius auf 1000 Grad Celsius in ca. 20 Sekunden, Abkühlen von 1000 Grad Celsius auf 100 Grad Celsius in ca.15 Sekunden, stationärer Temperaturgradient von 100 Grad Celsius pro Millimeter. Die maximale mechanische Last beträgt 25 Kilonewton.