Bauteile unter Hochtemperatur

Die Modellierung von Hochtemperaturbauteilen unter zyklisch mechanischer und thermischer Belastung stellt einen wesentlichen Forschungsschwerpunkt des LTMs dar.  Häufig wird ein Schichtsystem an solchen Bauteilen verwendet, welches beispielsweise eine Wärmedämmschicht (TBL = thermal barrier layer) sowie eine Verschleißschutzschicht beinhaltet.  Dies stellt, aufgrund von den komplexen Mikrostrukturen bzw. der kleinen Dimensionierung (in Dickenrichtung), für die aktuelle Forschung eine große Herausforderung. Im Rahmen unserer Arbeit wird das Ermüdungsverhalten sowie am Schichtsystem auftretende Schädigung experimentell und numerisch untersucht.

Experiment und Simulation

Zum Experiment gehören sowohl die Thermoschockuntersuchung aus dem thermischen Aspekt als auch die Zugversuche für die mechanischen Eigenschaften. Bei der Thermoschockuntersuchung wird herausgefunden, wie sich das Schichtsystem oder auch eine einzelne Schicht unter extrem thermischen Belastungen (hohe Aufheiz- / Abkühlrate) verhält. Die in der Thermoschockanlage integrierte Messtechnik hilft dabei, das Prozess durch Temperaturerfassung (Thermographiekamera,  Thermoelemente und/oder Pyrometer) zu beobachten, die Deformation optisch zu messen oder auch Oberflächenrisse zu detektieren. Zur Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften werden die Zugversuche von den sogenannten Substanzproben, welche aus dem reinen Material jeweils von den einzelnen Schichten bestehen, durchgeführt. Optional ist es möglich, die lokalen Verformungen auf der Substanzprobe mit einem optischen Messsystem (ARAMIS) zu erfassen. Mit numerischen Methoden werden die für die Materialmodellierung benötigten Parameter ermittelt.

Zur Simulation kommt die sogenannte Mehrskalenmodellierung zum Einsatz,  die eine der modernsten Simulationstechniken und physikalisch motiviert ist. Unter Annahme der makroskopischen Homogenität ist die Inhomogenität auf einer wesentlich kleineren Skala (Meso- oder Mikroebene) zu betrachten, insbesondere für physikalisch nichtlineare Probleme (z.B. Plastizität oder Schädigung etc.). Es soll dafür auf die rein konstitutive Formulierung auf Makroebene verzichtet werden. Stattdessen wird eine zusätzliche FE-Analyse auf Mikroebene (oder Mesoebene) benötigt, die durch Homogenisierungsverfahren Einflüsse wiederum auf Makroebene hat. Die Entwicklung bzw. Implementierung von den genauen und numerisch effizienten Homogenisierungsverfahren ist nun unserer Fokus.

1. K.-H. Sauerland, R. Mahnken: Two scale FE simulation of coated forming tools under thermo-mechanical loading, Technische Mechanik 32,1:84–101 (2012)

Deutsche Forschungsgemeinschaft DFG, Sonderforschungsbereich SFB/TR TRR30, Teilprojekt B2