Mit mehr als 30 Jahren Erfahrung in der Entwicklung innovativer Prüflösungen bringt der MTS-Ingenieur Steve Lemmer einzigartige Expertise in die Produktentwicklung ein. In diesem Frage-und-Antwort-Format beschreibt er die Herausforderungen der Hochtemperaturprüfung und die Weiterentwicklung von Hochtemperatur-Spannzeugen.
F. Warum ist die Hochtemperaturprüfung wichtig?
A. Werkstoffe müssen häufig in Umgebungen eingesetzt werden, die wärmer sind als Raumtemperatur, und Ingenieure müssen verstehen, wie sich die Temperatur auf die Werkstoffeigenschaften wie Festigkeit, Elastizitätsmodul und Kriechen/Bruch auswirkt. Es gibt drei allgemeine Temperaturbereiche, die zur Prüfung unterschiedlicher Werkstoffarten verwendet werden. Zunächst gibt es Warmprüfungen bis etwa 200 °C; dieser Bereich wird für die Prüfung von Kunststoffen und Verbundwerkstoffen genutzt. Danach folgen Heißprüfungen im Bereich von 200 °C bis 1200 °C, wobei der Großteil zwischen 600 °C und 1000 °C liegt – beispielsweise für die Prüfung von Materialien für Strahltriebwerke. Schließlich gibt es den Ultra-Hochtemperaturbereich ab 1200 °C und darüber. Dieser Bereich wird für die Prüfung von Keramiken, Kohlenstoffwerkstoffen und refraktären Metallen wie Molybdän, Wolfram und Rhenium verwendet. Eine der Herausforderungen besteht darin, dass für diese unterschiedlichen Temperaturbereiche jeweils unterschiedliche Technologien erforderlich sind.
F. Was wissen viele Menschen nicht über die Hochtemperaturprüfung?
A. Die meisten Fachleute im Prüfbereich verstehen Ausrichtung, Temperatur und Dehnungsmessung, doch mit steigender Temperatur nimmt die Komplexität des Prüfaufbaus zu. Es ist relativ einfach, ein Spannzeug mit einer Probe in eine Umweltkammer einzubauen und eine Prüfung bis 600 °C durchzuführen, doch je höher die Temperatur, desto komplexer werden Prüfequipment und -aufbau. So ändern sich beispielsweise die Werkstoffauswahl, die Temperaturmessgeräte, die Heizmethoden und gegebenenfalls die atmosphärischen Umgebungen, und letztlich werden Temperaturen erreicht, bei denen nur noch begrenzte Technologien zur Durchführung kritischer Prüffunktionen zur Verfügung stehen.
Selbst wenn bekannt ist, dass die Komplexität mit der Temperatur zunimmt, ist vielen nicht bewusst, dass diese Komplexität die Kosten in die Höhe treiben kann. Die Rohmaterialien für dieses Zubehör sind teuer und häufig nur eingeschränkt kommerziell verfügbar. Diese Materialien lassen sich nur schwer zu bearbeiteten Komponenten verarbeiten, sodass die Teilekosten deutlich höher sind als bei vergleichbaren Teilen aus herkömmlichem Stahl. Liegen die gewünschten Temperaturen im höchsten Bereich von über 2000 °C, können Kohlenstoff- oder refraktäre Metalle in vollständigen oder teilweisen Vakuumumgebungen erforderlich sein. Refraktäre Metalle lassen selbst teure Superlegierungen günstig erscheinen!
F. Gibt es kostengünstigere Alternativen für Hochtemperaturprüfungen?
A. Ich würde gerne nein sagen. Eine Hochtemperaturlösung muss spezifische, anspruchsvolle Aufgaben erfüllen. Man kann zwar kostengünstigere Komponenten wie Spannzeuge oder Lastgestelle wählen, doch diese Entscheidungen gehen oft zulasten von Ausrichtung und Flexibilität. Es ist möglich, sogenannte „kalte Spannzeuge“ aus preiswerteren Materialien oder einen Einzonen- statt eines Dreizonenofens zu wählen und dabei Temperaturgradienten in Kauf zu nehmen. Weitere Aspekte, die zu berücksichtigen sind: Kann mein Prüfaufbau Spiel im Laststrang erzeugen? Verändert sich die Belastungsachse beim Aufbringen der Last? Beeinflusst die Art der Montage von Kammer oder Extensometer am Gestell die Prüfausrichtung? Beeinflusst die Reibung im Aktuator das Rückmeldesignal der Prüfung? Und schließlich: Wie wichtig sind mir der einfache Wechsel und die Flexibilität von Probe zu Probe? Unterm Strich können die getroffenen Entscheidungen die Prüfergebnisse gefährden.
F. Was sind einige der Herausforderungen bei Hochtemperaturprüfungen?
A. Dazu zählen unter anderem die Temperaturmessung, die Dehnungsmessung und die Fähigkeit der Materialien der Prüfeinrichtung, dauerhaft zu bestehen. Es handelt sich um ein komplexes System, in dem alle Komponenten miteinander interagieren und zusammenarbeiten müssen: der Ofen, kontaktierende und berührungslose Dehnungsmesssysteme, Kraft- und Wegaufnehmer, die Regelelektronik sowie die Probenspannzeuge. Man muss verstehen, wie diese Komponenten zusammenwirken, wenn die Probe erhitzt und Last sowie Dehnung gemessen werden; zudem sind Hochtemperaturumgebungen für die Dehnungsmessung an der Probe wenig geeignet.
Kontakt-Extensometer von MTS sind so ausgelegt, dass sie möglichst geringe Querkräfte auf die Probe ausüben, müssen jedoch weiterhin Kontakt zur Probe haben und dürfen beim Aufbringen der Last nicht verrutschen. Berührungslose Methoden funktionieren bei niedrigeren Temperaturen gut, doch mit steigender Temperatur beeinträchtigen Wärme- und Lichtverzerrungen die Messwerte. Zusätzlich zu diesen Herausforderungen bei der Dehnungsmessung können auch Probengeometrien die Prüfung erschweren. So kann beispielsweise die Prüfung von Flachproben problematisch sein.
F. Warum ist die Hochtemperaturprüfung von Flachproben schwierig?
A. Das Spannen von Flachproben ist schwieriger als das Spannen von Rundproben, da die beste Methode darin besteht, eine Normalkraft direkt auf die Probenfläche aufzubringen und Reibkräfte auf der Fläche zu erzeugen, anstatt Scherkräfte an den Probenkanten. Diese Keilspannmethode erzeugt in der Regel hohe Spannungen im Spannmechanismus. MTS verfügt über ein patentiertes Verfahren, das den Einsatz konventioneller Superlegierungen ermöglicht, die diese Spannungen aufnehmen können, während Proben bei Temperaturen bis zu 1500 °C geprüft werden.
F. Was macht die Hochtemperatur-Spannzeuge des MTS Modells 680 einzigartig?
A. Die hydraulische Spannzeugfamilie 680 ermöglicht eine konsistente und präzise Durchführung von Ermüdungsprüfungen. Bei mechanischen Spannzeugen lässt sich die auf die Probe aufgebrachte Vorspannung für eine Ermüdungsprüfung nicht einfach verifizieren. Die hydraulischen Spannzeuge des Modells 680 halten die Vorspannung während des gesamten Prüfzyklus exakt aufrecht. Das Spannzeug 680.01 wird für Knopfkopf- und Gewindeproben bis 1000 °C eingesetzt. Das Modell 680.10 erweitert die Möglichkeiten für Prüfungen bis 1000 °C, indem es die Prüfung von Flachproben ermöglicht. Das Modell 680.15 erlaubt Prüfungen bis 1500 °C und wurde für die Prüfung flacher keramischer Matrixverbundwerkstoffe entwickelt, die aufgrund der Anforderungen an die Ausrichtung typischerweise schwieriger zu prüfen sind. Sowohl die Modelle 680.10 als auch 680.15 können für die Prüfung von Flach- und Rundproben eingesetzt werden – durch einfaches Austauschen der Hochtemperaturkomponenten kann dasselbe Spannzeug für Flach- und Rundproben mit Knopfkopf- oder Gewindeenden bei unterschiedlichen Temperaturen verwendet werden.
F. Welchen Vorteil bietet die Luftkühlung von Hochtemperatur-Spannzeugen?
A. Die Luftkühlung der hochtemperaturbeständigen Strukturkomponenten ermöglicht Prüfungen bei höheren Lasten und Temperaturen mit hydraulischen Spannzeugen. Bei den Spannzeugen 680.10 und 680.15 ist die Luftkühlung in die Spannzeugkomponenten integriert, sodass die Prüfumgebung im Ofen nicht gestört wird. Eine höhere Spannzeugtemperatur begrenzt den Wärmeverlust in der Probe und verbessert die thermischen Gradienten entlang der Messlänge. Diese Spannzeuge halten Gradienten gemäß den Richtlinien von ASTM und ISO im Bereich von ±2 °C oder ±1 % der Prüftemperatur ein. Da es sich um hydraulische Spannzeuge handelt, bieten sie dieselben Vorteile wie unsere hydraulischen Spannzeuge für Raumtemperaturprüfungen: verbesserte Wiederholgenauigkeit der Ausrichtung, Flexibilität hinsichtlich der Probengröße sowie konstante und bekannte Klemmkräfte.
F. Was hat sich in den letzten Jahren bei der Hochtemperaturprüfung verändert?
A. Entwicklungen in der Energieerzeugung, der Kraftstoffeffizienz und im Leichtbau treiben den Bedarf an höheren Temperaturen voran. Aus technologischer Sicht entwickeln sich auch die Dehnungs- und Temperaturmessung weiter, da die höheren Temperaturen neue Technologien erfordern. Abschließend möchte ich den Wunsch erwähnen, Proben in verschiedenen Umgebungen wie Abgasen, Wasserstoff, Inertgas und Vakuum zu prüfen.
Hochtemperatur-Prüflösungen können als Einzelkomponenten von mehreren Anbietern bezogen werden. Wenn jedoch eine optimal integrierte Lösung gewünscht ist, sollte sie als Subsystem erworben werden, damit alle Komponenten perfekt zusammenarbeiten. Wenn Sie neu in der Hochtemperaturprüfung sind, ist Ihnen möglicherweise nicht bewusst, wie viele Details für einen erfolgreichen Versuch entscheidend sind. Mit jahrzehntelanger Erfahrung in der Hochtemperaturprüfung verfügt MTS über das Know-how und die Produkte, um eine integrierte Lösung für Ihre Hochtemperatur-Prüfanwendung zu entwickeln.
