Mechanische und chemische Schädigungsmechanismen von gelöteten Hochtemperaturlegierungen zur Optimierung einer neuartigen Dichtungsstruktur

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Hans-Jörg Bauer; Professor Dr.-Ing. Uwe Glatzel; Professor Dr. Jan Torgersen
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 567342900

Die Effizienz von Flugtriebwerken und stationären Gasturbinen hängt wesentlich von den Spaltverlusten ab. Um die Spalte zu minimieren, werden in Turbomaschinen häufig Labyrinthdichtungen mit Anstreifbelägen verwendet. Während des Betriebs entsteht aufgrund thermischer Ausdehnungen oder dynamischer Lasten Kontakt zwischen dem Rotor und dem Anstreifbelag, was als sogenannter Anstreifvorgang (Reibvorgang) bezeichnet wird. Das Projekt verfolgt das übergeordnete Ziel, das Schädigungsverhalten von gelöteten Nickelbasislegierungen beim Anstreifen zu erforschen und die Anstreifstruktur aerodynamisch und tribologisch zu optimieren. Die Forschung der drei beteiligten Universitäten konzentriert sich auf die Herstellung und Untersuchung rautenförmiger Anstreifbeläge mit verschiedenen Parametern wie Zellgrößen, Lotmaterial und Zellwinkeln. Die Tribologie und Aerodynamik der neuartigen Anstreifbeläge werden experimentell charakterisiert. Neben dem herkömmlichen Nickelbasis-Lot BNi-5 wird auch ein neues Lotmaterial (Mn35Fe5Co20Ni20Cu20) untersucht. Die Hochtemperatureigenschaften der gelöteten Proben werden in Oxidationsversuchen und Hochtemperatur Zugversuchen analysiert. Die Benetzbarkeit der verwendeten Lotmaterialien wird mithilfe von Hochtemperatur Kontaktwinkelmessungen bestimmt. Die Ergebnisse der Untersuchungen werden zusammen mit mikrostrukturellen Analysen an den gelöteten Proben verwendet, um den Lötprozess für die eingesetzten Materialien und den neuartigen Anstreifbelag zu optimieren. Begleitet werden die experimentellen Untersuchungen durch Simulationen. Es wird eine Übertragung der mikrostrukturbasierten Simulation auf die Versagensanalyse von gekerbten, dünnwandigen Komponenten durchgeführt. Dabei wird ein Multiskalenansatz in der Blechebene angewendet, um eine präzisere Bewertung des Versagensverhaltens zu ermöglichen. Zudem wird ein bereits entwickeltes mikrostrukturbasiertes Schädigungsmodells erweitert für quasispröde Materialien, um duktile Schädigungsvorgänge (optimierter Lötprozess) angemessen zu erfassen. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen dienen dazu, ein umfassendes Verständnis für das Schädigungsverhalten und die aerodynamischen Eigenschaften zu entwickeln. Ziel ist es, effektive Verbesserungen an den Anstreifbelägen vorzunehmen und gleichzeitig die wissenschaftlichen Erkenntnisse in diesem Bereich zu erweitern. Die Integration von maschinellem Lernen ermöglicht eine innovative Optimierung der Anstreifbeläge (z.B. strukturelle Integrität und aerodynamische Effizienz) unter Berücksichtigung verschiedener Kriterien.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen