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Präzise Größen- und Formbestimmung von Erosionspartikeln mittels Computertomographie

19.09.2016

Erosionspartikel verursachen an Turbinen von Kraftwerken oder Flugzeugen Abtragungen (Erosion), welche zu enormen Kosten durch Wartung und Ausfall führen oder sogar die Sicherheit von Menschen gefährden. Der Prozess dieser sogenannten „High Temperature Solid Particle Erosion (HTSPE)“, d.h. Erosion bei Temperaturen von bis zu 900 °C und Partikelgeschwindigkeiten von bis zu 300 m s-1, kann bislang jedoch nur unzureichend modelliert werden. Hauptgrund sind große Messunsicherheiten bei den in Laborversuchen ermittelten Parametern wie Geschwindigkeit, Temperatur, aber auch bezüglich der Größenverteilung und der Form der Partikel. Letztere haben großen Einfluss auf die erosiven Eigenschaften der Partikel. Durch die Größe der Partikel wird deren kinetische Energie bestimmt. Kugelförmige Partikel rufen weniger Erosion hervor als scharfkantige und die Form der Partikel bestimmt die strömungstechnischen Eigenschaften.
Ziel des im European Metrology Research Programme (EMRP) geförderten Projektes METROSION war es, eine verbesserte metrologische Grundlage für die experimentelle Bestimmung der benötigten Parameter zu entwickeln.

Betrachtet man die Bestimmung von Größe und Form irregulär geformter Partikel, so haben herkömmliche Verfahren, wie z.B. durch Lichtstreuung, das Defizit, dass sie keine Informationen über die dreidimensionale Form der Partikel liefern und das Volumen (bzw. die Masse) der Partikel nur mit unzureichender Genauigkeit ermitteln. An der PTB wurde nun ein Verfahren entwickelt, mit dem solche Partikel mit einem industriellen Computertomographen untersucht werden können. Dazu wird eine Probe der Partikel, welche auch in Erosionsexperimenten verwendet werden, so in einen Kunststoff eingegossen, dass die einzelnen Partikel räumlich voneinander getrennt werden. Die Probe lässt sich dann mit einer Voxelgröße von ca. 2 µm tomographieren. Das rekonstruierte Volumenbild enthält schließlich detaillierte Geometrieinformation über jedes einzelne Partikel. Durch Anwenden einer speziellen Software lässt sich für die Partikel in effizienter und präziser Weise Größe und Sphärizität, d.h. die Form, festlegen. Hierzu müssen sowohl Oberfläche, als auch Volumen des Partikels bestimmt werden, was mit der hier vorgestellten Methode mit geschätzten Messabweichungen kleiner 8 % möglich ist. Ein Vergleich hat gezeigt, dass herkömmliche Methoden den Durchmesser der Partikel im Durchschnitt um fast 30 % zu groß angeben.

Mit den so gewonnenen Informationen lassen sich nun genauere Erosionsmodelle entwickeln. Ziel ist es, zukünftig mit Hilfe dieser Modelle neue Materialien zu entwickeln, mit welchen Turbinenschaufeln besser vor Erosion geschützt werden können, sei es durch Beschichtung oder durch Fertigung aus gänzlich neuen Materialien.

Abb. 1 Die Abbildung zeigt eine mikroskopische Aufnahme der Probe von Aluminiumoxid-Partikeln, sowie eine CT-Aufnahme der Probe.       
Abb. 1 Links: Mikroskopische Aufnahme von Aluminiumoxid-Partikeln. Die Größe der Partikel beträgt ca. 100 Mikrometer.
Mitte: Partikel-Probe von Aluminiumoxid-Partikeln in der Matrix, gemessen mit einem industriellen Computertomographen.
Rechts: Vergrößerte Darstellung eines einzelnen Aluminiumoxid-Partikels. Details sind sehr gut erkennbar.


Mit den im Projekt durchgeführten Untersuchungen konnte der Zusammenhang zwischen Formparametern und Abtragraten durch eine geringere MU deutlich verbessert werden.

 

 

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