Optische in-situ-Erfassung der Kavitationsschädigung technischer Legierungen unter mehrfachen Einzelblasen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr.-Ing. Stefanie Hanke; Professor Dr. Sebastian Kaiser
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 451715773

Kavitation -das Entstehen und Kollabieren von Gasblasen in Flüssigkeiten- kann auf Dauer selbst hochfeste Oberflächen schädigen. Die Beständigkeit von Werkstoffen gegen Kavitation wird typischerweise mit Ultraschall-Sonotroden ermittelt. Durch die Vielzahl und Stochastik der akustisch erzeugten Blasen können die Schäden i.A. aber nicht einzelnen Blasenereignissen zugeordnet werden. Andererseits ist es möglich, durch fokussierte Laserpulse zeitlich-räumlich präzise reproduzierbar einzelne Blasen zu erzeugen. Neben vielen Studien zur Fluiddynamik der kollabierenden Blase gibt es auch Arbeiten, die die Wirkung solcher Einzelblasen auf eine deformierbare Festkörper-Oberfläche untersuchen. Fast ausnahmslos ist die Probe dabei aus weichem Material, so dass die Deformation durch eine einzelne Blase mit deren Dynamik korreliert werden kann. Allerdings ist unklar, wie die Ergebnisse auf höherfeste Werkstoffe übertragen werden können.Das beantragte Projekt zielt auf diese Forschungslücke zwischen mikroskopisch unkontrollierter Schädigung technischer Legierungen durch akustische Kavitation und exakt reproduzierbarer Belastung weicher Werkstoffe durch Einzelblasen. Serien aus Einzelblasen sollen als kontrollierbares Lastkollektiv auf Oberflächen höherfester Legierungen einwirken. Dabei wird für jede Blase die Dynamik bildgebend erfasst, nach ihrem Kollaps in situ der inkrementelle Schadenszuwachs lichtmikroskopisch aufgenommen, und dies durch hochauflösende ex-situ-Verfahren zu einem detaillierten Bild der Schadensentstehung ergänzt. Das ermöglicht eine Untersuchung der Schädigungsentwicklung in Inkubations- und Erosionsphase in nie dagewesener räumlicher und zeitlicher Auflösung, sowie eine Zuordnung von Details der Kollapsvorgänge und Werkstoffveränderungen. Zur Einordnung der Werkstoffschädigung in den aktuellen Stand der Wissenschaft werden parallel Standardversuche mit einer Sonotrode durchgeführt.Zunächst wird eine Lichtmikroskopie-Optik am bestehenden Einzelblasenexperiment aufgebaut, mit Hochgeschwindigkeitsvisualisierung der Blasen synchronisiert und die in-situ-Aufnahmen durch ex-situ-Konfokalmikroskopie an einem weichen Werkstoff validiert. Im zweiten Schritt werden Versuchsreihen an NiAl-Bronze und dem Stahl 316L durchgeführt, um teilautomatisierte Methoden für die effiziente Auswertung der sehr großen Datensätze und für die Korrelation von in-situ- und ex-situ-Mikroskopie zu entwickeln. Schließlich werden diese Methoden in Versuchsreihen an beiden Werkstoffen angewendet, wobei die Anzahl der Blasen, deren Abstand zur Probe und der Blasendurchmesser variiert werden. Ex situ werden die Schädigungsmechanismen der technischen Werkstoffe durch hochauflösende Elektronenmikroskopie im Detail analysiert und mit Proben aus Versuchen mit Ultraschall-Kavitation nach ASTM G32 abgeglichen. Die umfangreichen erzeugten Daten werden insbesondere für Modellierungsarbeiten außerhalb dieses Projektes öffentlich zugänglich gemacht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen