Reduzierung der Variabilität bei der Hochtemperatur-Materialprüfung
Die Steigerung der Effizienz von Flugzeugtriebwerken erfordert nicht nur Innovationen bei Materialien und Design, sondern auch eine Verbesserung der Qualität der Prüfdaten.
Niedrigzyklische Ermüdung (LCF) bei erhöhten Temperaturen (bis zu 1000 °C) ist seit Jahrzehnten ein wichtiger Prüfbereich in der Luft- und Raumfahrtindustrie. Ziel ist es, die aggressiven Belastungsbedingungen zu simulieren, denen Materialien in kritischen Turbinenkomponenten ausgesetzt sind, um Daten für die Material- oder Prozessauswahl, die Chargenfreigabe oder neuerdings für die Simulation zu generieren.
Das Streben nach größerer Genauigkeit bei dieser Simulation hat zu einem erneuten Fokus auf LCF-Prüfdaten geführt. Eine der zugrunde liegenden Motivationen ist die Forderung nach geringeren Kohlenstoffemissionen. Eine geringe Erhöhung der nutzbaren Temperatur an der richtigen Stelle kann eine messbare Effizienzsteigerung bewirken. Während der Einsatz von Strukturverbundwerkstoffen beeindruckende Gewichtsreduzierungen bei Flugzeugen ermöglicht hat, ist die Verbesserung der Triebwerkseffizienz ein einfacher Gewinn für die Emissionen.
Was bedeuten bessere Daten?
Das Ermüdungsverhalten aller Materialien weist Streuung oder Verteilung auf, daher verwenden Design und Simulation statistische Konfidenzgrenzwerte, um dies zu berücksichtigen. Allerdings ist nicht die gesamte Streuung allein auf die tatsächliche Materialvariation zurückzuführen, sondern ein zusätzlicher Zufall wird durch das Prüfverfahren selbst eingeführt. Variationen im Betrieb des Prüfsystems (entweder durch Mechanik oder durch den Bediener) bedeuten, dass selbst wenn es möglich wäre, dieselbe Probe erneut zu prüfen, wahrscheinlich ein leicht abweichendes Ergebnis erzielt würde. Das bedeutet, dass manchmal Design-Allowables einfach durch das Sammeln besserer Daten verbessert werden können!
Als Gemeinschaft von Prüfingenieuren konzentrieren wir uns oft obsessiv auf einfache Genauigkeit, aber die Erkenntnis hat sich durchgesetzt, dass dies allein nicht ausreicht; Wiederholbarkeit ist entscheidend. Die Wege zur Verbesserung lassen sich auf bessere mechanische und thermische Steuerungen reduzieren, aber ihre Auswirkungen sind möglicherweise nicht das, was Sie erwarten. In Zusammenarbeit mit unseren Kunden hat Instron Lösungen in drei Schlüsselbereichen entwickelt, die Hersteller und Prüfpraktiker in den letzten Jahrzehnten herausgefordert haben.
Mechanische Stimuli
Erstens ist die Einspannung und Ausrichtung von Proben eine Hauptquelle für Variabilität. Viele theoretisch fundierte Einspannvorrichtungen wurden in der Vergangenheit verwendet, aber sie tragen nicht unbedingt zu einer wiederholbaren Belastung bei. Wesentlich sind die Verwendung geeigneter Positionierungsmerkmale an der Probe, die Anwendung enger Toleranzen sowohl für die Einspannung als auch für die Probe und eine Klemmwirkung ohne jegliche außermittige Bewegung. Gleichzeitig ist eine hohe Quersteifigkeit des gesamten Systems erforderlich, um diese Ausrichtung während eines Tests beizubehalten – es ist wichtig zu erkennen, dass der größte Teil der Querverschiebung an der Probe nicht vom Lastrahmen herrührt, sondern von der Biegung der Zugstangen und des Antriebsstrangs.
Zweitens ist die Genauigkeit der mechanischen Prüfsteuerung wichtig. Dies mag offensichtlich erscheinen, ist aber nicht trivial zu erreichen, es sei denn, das Steuerungssystem des Prüfrahmens ist effektiv und konsistent abgestimmt. Es war gängige Praxis, den ersten 10 Ermüdungszyklen einen beträchtlichen Spielraum zu lassen, um sich der Ziellast anzunähern, doch diese frühen Zyklen sind oft die kritischsten, wenn sich das Material am schnellsten ändert (Verfestigung oder Erweichung). Das Abstimmen war historisch gesehen eine qualifizierte Tätigkeit, bei der „gut“ sehr subjektiv war. Die neuesten patentierten steifigkeitsbasierten Abstimmungsalgorithmen von Instron eliminieren jedes Risiko einer Überlastung oder Vorzyklisierung einer Probe während der Prüfeinrichtung und erreichen gleichzeitig eine nahezu identische Prüfsteuerung zwischen verschiedenen Bedienern, Maschinen und sogar Laboren.
Thermische Steuerung und Messung
Drittens hat Instron die Steuerung der Probentemperatur vollständig automatisiert. Die Ofensteuerungs-Hardware in den meisten Laboren ist überraschend primitiv geblieben, da die drei Zonen des Ofens manuell und unabhängig voneinander gesteuert werden – was umfangreiche, qualifizierte und zeitaufwändige Vorarbeiten erfordert. Die neuesten Ofensteuerungssysteme von Instron sind vollständig voreingestellt und verwenden mehrere Probentemperaturmessungen, um den Ofen adaptiv ohne Bedienereingriff zu steuern. Jeder Test wird automatisch bei der vorgesehenen Temperatur durchgeführt, mit schnelleren Aufheizzeiten, während Temperaturüberschwingen und Probengradient minimiert werden. Die vollständig computergesteuerte Schnittstelle bedeutet, dass Funktionen wie Thermoelementkalibrierungen hinzugefügt und eine Vielzahl von Metriken protokolliert werden können, was die Rückverfolgbarkeit erheblich verbessert.
Internationale Standardisierung
Was im Luft- und Raumfahrtsektor allgemein als „Best Practice“ gilt, ist der öffentlichen internationalen Standardisierung wie ISO, ASTM, JSA (Japanese Standards Association) und BSI (British Standards Institute) noch deutlich voraus. Offensichtlich verwenden bestimmte Unternehmen oder Gruppen interne Prüfspezifikationen oder kommerzielle Standards, aber diese werden nicht offen der gesamten Gemeinschaft zugänglich gemacht. Die Nadcap-Anforderungen sind mäßig streng, aber sie sind dadurch begrenzt, dass ihre Rolle nur darin besteht, eine gute Implementierung jeder bestimmten Prüfspezifikation sicherzustellen. Die Essenz von Standards wie ASTM E606 und ISO 12106 ist gut etabliert, obwohl es eine fortlaufende Diskussion darüber gibt, wie sie aufrechterhalten und verbessert werden können. Einige der Überlegungen betreffen die Probengeometrie und die Anforderungen an die Oberflächengüte – insbesondere wie diese im Kontext additiv gefertigter Proben umzusetzen sind – aber auch die Verbesserung der Robustheit der Qualitätsanforderungen für die Prüfsteuerung. Für erfahrene Fachleute ist es erwähnenswert, dass eine etwas strengere Methode zur Überprüfung der Ausrichtung von Ermüdungsprüfgeräten (ISO 23788) verfügbar ist, und im Jahr 2022 veröffentlichte ISO eine technische Spezifikation zur Überprüfung der Probentemperaturmessung (ISO 21913).
Primäre Prüflabore für die Luft- und Raumfahrtindustrie sind sich dessen bewusst und stellen klare und strenge Anforderungen an neue Geräte, aber viele kleine oder neue Forschungslabore haben keine Kenntnis dieser anspruchsvolleren Anforderungen. Folglich ist es für Gerätehersteller wichtiger denn je geworden, ein gutes Verständnis der Marktanforderungen zu bewahren und neuen Laboren zu helfen, der Prüfgemeinschaft auf dem „Stand der Technik“ beizutreten.
Fazit
Die heutigen ökologischen und sozialen Anforderungen an die Industrie verbinden sich mit jahrelangen Verbesserungen in Design und Simulation, um die Entwicklung einer höheren Effizienz bei Gasturbinen und der Stromerzeugung im Allgemeinen zu fördern. In der Materialprüfindustrie müssen wir darauf reagieren, indem wir den Ingenieursektor mit Geräten unterstützen, die das höchstmögliche Vertrauen in Daten bieten und eine gute wissenschaftliche Praxis zur Sicherstellung der Reproduzierbarkeit von Experimenten ermöglichen. Die in diesem Artikel erörterten jüngsten Fortschritte im Gerätedesign veranschaulichen dieses Prinzip und haben dem industriellen Bedarf Rechnung getragen, die Konsistenz der Prüfdaten durch die Beseitigung der verborgenen Auswirkungen von Ausrichtung, Prüfsteuerung und Temperaturregelung zu verbessern.
Über den Autor
Peter Bailey, PH.D.
Dr. Bailey ist der leitende Anwendungsspezialist für Ermüdungs- und Bruchmechanikprüfungen bei Instron. Er ist in High Wycombe, Großbritannien, im Werk des Unternehmens und im Kompetenzzentrum für dynamische Prüfungen tätig. Mit mehr als 20 Jahren Erfahrung in der experimentellen Materialwissenschaft beteiligt er sich auch an der Normenentwicklung als Arbeitsgruppenleiter und britischer Delegierter im ISO-Technischen Komitee TC164 sowie als Mitwirkender im ASTM-Komitee E08.