Fakultät für Maschinenbau und Sicherheitstechnik

Entwicklung eines zerstörungsfreien Prüfverfahrens an Hochtemperaturbauteilen aus faserverstärkter Oxidkeramik mittels Infrarotthermographie

Thermogramm einer OCMC Probe

Für dünnwandige Hochtemperaturbauteile aus oxidfaserverstärkter Oxidkeramik wird ein zerstörungsfreies Prüfverfahren entwickelt. Dazu wir der Abkühlvorgang dünnwandiger Proben von 1100 °C mit einer Infrarotthermographiekamera betrachtet. Die Thermogramme sollen Aufschluss über innenliegende Materialfehler (Matrix und Faser) geben. Das Prüfverfahren soll als sogenanntes „Online-Verfahren“ direkt in die Produktionslinie integriert werden, so dass die durchgewärmten Bauteile direkt nach dem Brennen im Ofen geprüft werden können.

Bei der verwendeten oxidfaserverstärkten Oxidkeramik (OCMC Oxid Ceramic Matrix Composite) handelt es sich um einen Verbund aus einer keramischen Matrix bestehend aus 70% Aluminiumoxid (Al2O3) und 30% Siliziumoxid (SiO2), das mit Fasermaterial der Bezeichnung NextelTM 610 (99,9% α-Al2O3) der Firma 3M verstärkt wird. Die hervorragenden Eigenschaften von Aluminiumoxid hinsichtlich niedriger Wärmeleitung und hoher Temperaturbeständigkeit werden durch die Faserverstärkung mit NextelTM 610 um konstruktive Eigenschaften wie hohe Zugfestigkeit und Schadenstoleranz ergänzt.

Weitere Vorteile der zu prüfenden OCMC liegen im Bereich der Schadenstoleranz. Durch die Verstärkung der Keramik-Matrix mittels Langfasern werden wesentlich höhere Spannungen toleriert. Werden bei einer angreifenden Spannung Risse in der Matrix ausgelöst, wird die Faser von der Matrix gelöst und übernimmt die weitere steigende Last und überbrückt die Risse, bis die Zugfestigkeit der Faser überschritten wird. Maßgebend hierfür ist bei dicht gesinterten Matrices die Interface-Festigkeit zwischen Matrix und Faser. Ist die Faseranbindung an die Matrix sehr fest, wird der Werkstoff katastrophal brechen. Werden jedoch hochmodulige, hochfeste Fasern verwendet und ist die Interface-Festigkeit so eingestellt, dass sie etwa bei 25 % der Matrix-Festigkeit liegt, können sich die Fasern lösen und die Last übernehmen.

Bei porösen Matrices wird von vorneherein die Last von der Faser übernommen, während die Matrix nur die Aufgabe hat die Faserlagen zusammenzuhalten.

Der Vorteil des Keramikblechs liegt in der wesentlich höheren Standfestigkeit bei Einsatztemperaturen bis 1300°C. Durch die hervorragende Temperaturbeständigkeit kann die Lebensdauer gegenüber Bauteilen aus hochwarmfestem Stahl bis auf das 20-fache erhöht werden. Eine Korrosion ist auch in säurehaltiger Atmosphäre beim Einsatz von OCMC nicht zu beobachten.

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