DE102010045598B4

DE102010045598B4 - Verfahren zum Prüfen von Prüfkörpern aus hochtemperaturfestem Material

Info

Publication number: DE102010045598B4
Application number: DE102010045598.9A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Steinwandel; Dipl.-Ing. Dietrich P. (FH) Jonke; Martin Englhart; Dipl.-Ing. Benien Hannelore
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2010-09-16
Filing date: 2010-09-16
Publication date: 2014-07-10
Anticipated expiration: 2030-09-17
Also published as: WO2012035041A2; DE102010045598B8; WO2012035041A3; DE102010045598A1

Abstract

Verfahren zum Prüfen von Prüfkörpern aus hochtemperaturfestem Material, das Verfahren aufweisend die Schritte: Erzeugen eines Gasstrahls durch einen Flammspritzbrenner unter Vermeidung einer Verwendung eines Spritzzusatzes des Flammspritzbrenners (S1), Platzieren eines Prüfkörpers in dem Gasstrahl des Flammspritzbrenners (S2), und Prüfen eines Zustandes des Prüfkörpers nach dem Platzieren in dem Gasstrahl (S3).

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft die Messtechnik im Hochtemperaturbereich. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Prüfen von Prüfkörpern sowie die Verwendung eines Flammspritzbrenners zum Prüfen von Prüfkörpern.
TECHNOLOGISCHER HINTERGRUND
Im Abgasbereich von Luftfahrzeugantrieben wie beispielsweise Raketentriebwerken oder Satellitentriebwerken müssen die nötigen Bauteile aus hochtemperaturfestem Material gefertigt sein. Damit wird gewährleistet, dass die dort befindlichen Bauteile den dort auftretenden Spitzentemperaturen standhalten, ohne strukturellen oder funktionellen Schaden zu nehmen. Heutzutage werden bei der Entwicklung hochtemperaturfester Materialien sowie bei der Entwicklung von Bauteilen aus hochtemperaturfesten Materialien Testvorgänge beispielsweise in Öfen zur Überprüfung der temperaturabhängigen Materialeigenschaften durchgeführt. Dabei kommen mehrere Temperaturzyklen im Ofenbetrieb zum Einsatz, um die Eigenschaften der hochtemperaturfesten Materialien und den darauf gefertigten Komponenten zu überprüfen.
Andererseits gibt es professionelle Raketenprüfstände für Raumfahrtantriebe, welche jedoch für den Material- bzw. Bauteilhersteller nur unter hohen Kosten zugänglich sind. Dabei kommen neben Kosten für den Versuchsaufbau hohe Betriebskosten und hohe Auswertkosten für solche Tests in Raketenprüfständen auf den Materialhersteller zu. Da es insgesamt nur eine sehr begrenzte Anzahl solcher Raketenprüfstände gibt, sind neben langen Anfahrtswegen zu diesen seltenen Prüfständen auch entsprechend lange Wartezeiten die Regel, was wiederum mit hohen Kosten verbunden ist.
Die DE 27 48 490 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Aufbringen einer metallischen Beschichtung auf einem Substrat durch Flammspritzen.
In der DE 3423637 A1 ist eine Bearbeitungsanordnung für den Einsatz in einer Vorrichtung zur Beschichtung eines Gegenstandes mittels Flammenhydrolyse unter Einsatz eines Flammenhydrolysebrenners beschrieben.
Die US 2002/0029955 A1 beschreibt eine Vorrichtung, mit welcher Halbleiter mittels einer Brennvorrichtung beschichtet werden können.
Die DE 44 27 262 C1 beschreibt eine Vorrichtung zum Flammspritzen, welche einen Flammspritzbrenner und eine Pulvermaterialzuführung mit einer Heizeinrichtung aufweist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es kann als eine Aufgabe der Erfindung angesehen werden, eine vereinfachte Prüfung von Prüfkörpern aus hochtemperaturfestem Material anzugeben.
Die Aufgabe der Erfindung wird gemäß den Gegenständen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Es sind ein Verfahren zum Prüfen von Prüfkörpern aus hochtemperaturfestem Material sowie die Verwendung eines Flammspritzbrenners zum Prüfen von Prüfkörpern aus hochtemperaturfestem Material gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche angegeben. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele betreffen gleichermaßen das Verfahren und die Verwendung eines Flammspritzbrenners. Beispielsweise lassen sich Merkmale, die im Folgenden im Hinblick auf eine Prüfvorrichtung beschrieben werden, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann, in entsprechender Weise auch als Merkmale der Verwendung implementieren, und umgekehrt.
Weiterhin sei angemerkt, dass in jedem der nachgenannten Ausführungsbeispiele der Erfindung Verfahrensschritte neben der explizit genannten Reihenfolge auch in anderen Reihenfolgen erfolgen können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.
Es ist eine Prüfvorrichtung zum Prüfen von Prüfkörpern aus hochtemperaturfestem Material angegeben, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann, wobei die Prüfvorrichtung einen Flammspritzbrenner und eine Prüfkörperhalterung aufweist.
Mit anderen Worten wird der Flammspritzbrenner ohne einen Spritzzusatz betrieben, um einen Gasstrahl zum Prüfen von hochtemperaturfesten Materialien zu erzeugen.
Als Kern der Erfindung kann es demnach angesehen werden, den Flammspritzbrenner zur Prüfung des Prüfkörpers einzusetzen, ohne dass jedoch ein Spritzzusatzwerkstoff in den Flammspritzbrenner eingegeben wird. Bei der Prüfvorrichtung wird der Flammspritzbrenner also nicht betrieben, um ein Material auf einen Prüfkörper aufzuschmelzen. Hingegen wird der Flammspritzbrenner gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet, um einen Gasstrahl, der auch als Flammstrahl bezeichnet wird, zu erzeugen. Dies erfolgt um das Abgas eines Raketenantriebes oder eines Satellitenantriebes zu simulieren und damit den Prüfkörper den Zuständen im Abgasbereich eines Raketenantriebes auf kostengünstige, schnelle und apparativ einfache Art und Weise aussetzen zu können.
Beispielsweise kann der einstellbare und interessante Temperaturbereich zwischen 1.400 und 2.200°C liegen. Aber auch andere Temperaturen sind nicht ausgeschlossen.
Weiterhin kann die molekulare Zusammensetzung des erzeugten Gasstrahls beispielsweise Wasserdampf im Bereich bis zu 30% bezogen auf das Gesamtgas des Gasstrahls zur Verfügung stellen. Darüber hinaus kann erreicht werden, dass der Rest-Sauerstoffgehalt bis zu 15% beträgt.
Dabei können im Kontext der vorliegenden Erfindung unter dem Begriff Flammspritzbrenner verschiedenste Vorrichtungen im Labormaßstab verstanden werden, die in der Lage sind einen Gasstrahl zu erzeugen, der dem Abgasstrahl eines Luftfahrzeugantriebes entspricht. Beispielsweise kann das ein Hochgeschwindigkeits-Flammspritzbrenner sein oder eine andere Vorrichtung, die zum thermischen Spritzen geeignet ist. Wichtig ist jedoch, dass gemäß der Erfindung der Flammspritzbrenner stets ohne den aufzuspritzenden Stoff, der auch als Spritzzusatz bezeichnet wird, betrieben wird. Beispielsweise können dazu Pulverinjektoren eines Hochgeschwindigkeits-Flammspritzbrenners blindgeschlossen sein.
Durch die Kombination des Flammspritzbrenners mit der Prüfkörperhalterung kann der Prüfkörper zur Durchführung der Prüfung in den vom Flammspritzbrenner erzeugten Gasstrahl platziert werden. Mit anderen Worten wird eine Prüfvorrichtung bereitgestellt, mit welcher ein Flammspritzbrenner mit einer Prüfkörperhalterung kombiniert wird, ohne dass jedoch ein aufzuspritzender Stoff, der auch als Spritzzusatz bezeichnet wird, ausgespritzt wird.
Damit wird eine Prüfvorrichtung bereitgestellt, welche handlich und im Labormaßstab ausgeführt ist. Damit können in vereinfachter Art und Weise schnell Hochtemperaturwerkstoffe auf ihre Eigenschaften bezüglich hoher Temperaturen und hoher Auftreffgeschwindigkeit von Gasmolekülen auf die Prüfkörper überprüft werden. Weiterhin können mit der Prüfvorrichtung oxidierende und reduzierende Gasatmosphären realisiert werden, welche beispielsweise den Zuständen im Abgasraum eines Raketenantriebs entsprechen. Ebenso werden dadurch lange Wartezeiten vermieden, da mit geringem finanziellen und technischen Aufwand die Prüfvorrichtung für hochtemperaturfeste Materialien bereitgestellt wird.
Damit kann eine effizientere Materialentwicklung und eine wesentlich verkürzte Evaluierung der Schichteigenschaften der zu überprüfenden Materialien, aus denen der Prüfkörper besteht, bereitgestellt werden.
Gemäß einem Beispiel ist bei der Prüfvorrichtung, mit welcher das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann, der Flammspritzbrenner zur Bereitstellung eines Gasstrahls ausgeführt und die Prüfkörperhalterung ist zur Fixierung des Prüfkörpers in dem Gasstrahl ausgeführt. Weiterhin erzeugt der Flammspritzbrenner zum Prüfen des Prüfkörpers den Gasstrahl ohne einen Spritzzusatz.
Gemäß einem Beispiel ist bei der Prüfvorrichtung, mit welcher das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann, der Flammspritzbrenner ein Hochgeschwindigkeits-Flammspritzbrenner.
Ein Hochgeschwindigkeits-Flammspritzbrenner kann auch als High Velocity Oxy Fuel (HVOF) bezeichnet werden.
Beim Hochgeschwindigkeits-Flammspritzbrenner erfolgt eine kontinuierliche Gasverbrennung mit hohen Drücken innerhalb einer Brennkammer. Der in der Brennkammer erzeugte hohe Druck des Brenngas-Sauerstoffgemischs und der meist nachgeordneten Expansionsdüse erzeugen die gewünschte hohe Strömungsgeschwindigkeit im Gasstrahl. Beispielsweise können als Brenngas Propan, Propen, Ethylen, Acetylen oder andere verwendet werden. Ferner sind auch flüssige Brennstoffe, wie Kerosin und andere Kohlenwasserstoffe möglich. Als Oxidator kann beispielsweise Sauerstoff oder ein andere Sauerstoffträger eingesetzt werden.
Weiterhin kann im zentralen Bereich des Hochgeschwindigkeits-Flammspritzbrenners ein zusätzliches Fördergas zum Einsatz kommen. Weiterhin kann der Hochgeschwindigkeits-Flammspritzbrenner eine Brenndüse mit oder ohne Wasserkühlung aufweisen.
Gemäß einem Beispiel sind bei der Prüfvorrichtung, mit welcher das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann, der Flammspritzbrenner und die Prüfkörperhalterung zur Durchführung einer Relativbewegung zueinander ausgeführt. Mittels der Durchführung der Relativbewegung ist zumindest ein Parameter veränderbar, der ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Abstand zwischen der Prüfkörperhalterung und dem Flammspritzbrenner und Winkel zwischen einem Gasstrahl des Flammspritzbrenners und einem in der Prüfkörperhalterung fixierten Prüfkörper.
Gemäß diesem Beispiel ist es möglich, unterschiedliche Abstände zwischen dem Prüfkörper und dem Flammspritzbrenner zu erzeugen, so dass der Prüfkörper bei gegebenem Gasstrahl in verschiedene Bereiche des Gasstrahls platziert werden kann. Beispielsweise kann die Relativbewegung durch eine Verschiebung entlang einer mechanischen Schiene gewährleistet werden. Jedoch kann auch eine kippbare Prüfkörperhalterung bereitgestellt werden, welche unterschiedliche Winkel zwischen der Oberfläche des Prüfkörpers und dem darauf auftreffenden Gasstrahl erzeugen kann.
Dadurch ist es möglich, den Prüfkörper mittels der Prüfvorrichtung in unterschiedlichsten Kombinationen aus Abständen und Winkeln hinsichtlich seiner Hochtemperaturfestigkeit zu platzieren und anschließend zu prüfen. Damit ist eine schnelle Messreihe, die verschieden Abstände und Winkel beinhaltet im Labormaßstab möglich.
Gemäß einem weiteren Beispiel weist die Prüfvorrichtung, mit welcher das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann, eine Fremdgaszuführung auf, wobei die Fremdgaszuführung zur Zuführung eines Fremdgases in den Gasstrahl des Flammspritzbrenners ausgeführt ist.
Dabei kann die Zuführung des Fremdgases in den Gasstrahl innerhalb oder auch außerhalb des Flammspritzbrenners erfolgen.
Bei der Zuführung außerhalb des Flammspritzbrenners ist mit anderen Worten damit eine externe, zusätzliche Zuführung eines Fremdgases möglich. Damit können unterschiedlichste Parameter des Gasstrahls des Flammspritzbrenners erzeugt werden, wodurch eine optimale Simulation eines Raketenabgases durch die Prüfvorrichtung gegeben ist.
Alternativ ist es auch möglich, die Fremdgaszuführung innerhalb des Flammspritzbrenners durchzuführen. Weiterhin ist es möglich, das Fremdgas über ein Y-Stück mit dem Oxidator (Sauerstoff) zu vermischen und dieses Gemisch dann anschließend von hinten in die Brennkammer des Flammspritzbrenners zu injizieren. Diese beiden Alternativen sind jedoch in 2 nicht gezeigt.
Bei allen drei Alternativen kann dadurch eine optimale Anpassung der Stöchiometrie des Gasstrahls erreicht werden.
Gemäß einem weiteren Beispiel weist die Prüfvorrichtung, mit welcher das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann, eine zugehörige Anlage zum Hochgeschwindigkeits-Flammspritzbrenner auf, wobei die Anlage einen Steuerschrank, eine Gasversorgung und eine Kabine umfasst.
Weiterhin wird dadurch eine wechselseitige Generierung von Daten im Versuch ermöglicht und es wird eine Simulation zur Verifizierung der angenommenen Temperaturfestigkeit des zu überprüfenden Materials bzw. des zu überprüfenden Prüfkörpers durch die Prüfvorrichtung ermöglicht.
Gemäß einem weiteren Beispiel weist die Prüfvorrichtung den Prüfkörper auf. Weiterhin weist die Prüfvorrichtung, mit welcher das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann, Thermoelemente zur Messung einer Oberflächentemperatur des Prüfkörpers auf.
Diese Thermoelemente können beispielsweise auf der Oberfläche des Prüfkörpers angeordnet sein. Beispielsweise können Sacklöcher an dem Prüfkörper angeordnet sein.
Bei der Anordnung der Sacklöcher zur Aufnahme der Thermoelemente kann die Anordnung die sein, dass die Thermoelemente derart angeordnet sind, dass ein Profil des Gasstrahls beziehungsweise des Gasauftrefffleckes aufgenommen werden kann. Beispielsweise kann Gasstrahl beziehungsweise der Gasauftrefffleck dadurch kreisförmig aufgenommen werden. Dazu werden die Thermoelemente beziehungsweise die Sacklöcher vorteilhaft über den zentralen Kreisdurchmesser von hinten in den Prüfkörper eingebracht. Damit kann eine Mitte-Randverteilung der Temperatur des Prüfkörpers bestimmt werden. Alternativ dazu können bei ausreichender Dicke der Probe entsprechende Sacklöcher auch von den Rändern der Probe eingebracht werden.
Gemäß einem weiteren Beispiel weist die Prüfvorrichtung, mit welcher das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann, ein Spektroskop auf, wobei das Spektroskop zur Spektroskopie des Gasstrahls des Flammspritzbrenners ausgeführt ist.
Um eine molekulare Zusammensetzung des Gasstrahls analysieren zu können, kann das Spektroskop eingesetzt werden. Dabei können bestimmte Leitmoleküle, wie beispielsweise OH, CH, oder auch CH₂ Leitmoleküle sein, welche mittels der Spektroskopie detektiert werden. Weiterhin kann das Spektroskop derart ausgeführt sein, dass eine Spektroskopie entlang des Gasstrahls erfolgen kann. Mit anderen Worten können Daten durch das Spektroskop entlang einer Längs- und Querachse des Gasstrahls aufgenommen werden. Dadurch ist eine genaue Charakterisierung des Gasstrahls möglich.
Gemäß einem weiteren Beispiel weist die Prüfvorrichtung eine Thermokamera auf, wobei die Thermokamera zur Aufnahme von Infrarotstrahlung an der Oberfläche des Prüfkörpers ausgeführt ist.
Diese Alternative zu den Thermoelementen auf der Oberfläche des Prüfkörpers ermöglicht ebenso die genaue Bestimmung der Temperatur der Oberfläche des Prüfkörpers.
Weiterhin ist es möglich, dass die Prüfvorrichtung eine Kontrolleinheit aufweist, welche Daten beispielsweise von dem Thermoelement, von dem Spektroskop oder auch von der Thermokamera übermittelt bekommt, um beispielsweise das Verhältnis zwischen Sauerstoff und dem verwendeten Brenngas, mit welchen der Flammspritzbrenner betrieben wird, wie gewünscht anzupassen. Damit ist eine optimale Simulation des Zustandes im Abgasstrahl eines Luftfahrzeugantriebs möglich.
Mit anderen Worten kann der Flammspritzbrenner auch als Flammspritzpistole bezeichnet werden. Der Hochgeschwindigkeitsflammstrahl bzw. der Hochgeschwindigkeitsgasstrahl wird auf den Prüfkörper gerichtet und trifft dort in einem vordefinierten Abstand unter einem Winkel α auf die Oberfläche des Prüfkörpers. Beide Parameter können kontinuierlich und wie gewünscht durch den Benutzer mittels der Prüfvorrichtung eingestellt werden.
Weiterhin kann der Gasstrahl hinsichtlich seines Mischungsverhältnisses von Oxidator (zum Beispiel Sauerstoff und andere) zu Brennstoff (zum Beispiel Kerosin, Propan, Propen, Ethylen, Acetylen und andere) in der chemischen Stöchiometrie verändert werden. Ebenso ist mittels der Prüfvorrichtung eine Einstellung der Flussraten von Oxidator zu Brennstoff möglich.
Mittels der Prüfvorrichtung wird damit eine erosive Beanspruchung des Prüfkörpers gegeben. Neben der Temperaturbeanspruchung der Probe wird auch eine chemische Beanspruchung der Probe durch die erfindungsgemäße Prüfvorrichtung ermöglicht.
Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zum Prüfen von Prüfkörpern aus hochtemperaturfestem Material angegeben, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist. Erzeugung eines Gasstrahls durch einen Flammspritzbrenner unter Vermeidung einer Verwendung eines Spritzzusatzes des Flammspritzbrenners, Platzieren eines Prüfkörpers in dem Gasstrahl des Flammspritzbrenners, und Prüfen eines Zustandes des Prüfkörpers nach dem Platzieren in dem Gasstrahl.
Mit anderen Worten wird in diesem Prüfverfahren ein Flammspritzbrenner, der beispielsweise ein Hochgeschwindigkeits-Flammspritzbrenner sein kann, eingesetzt, ohne dass jedoch der sonst übliche Spritzzusatz verwendet wird. Dadurch ist eine optimale Simulation von Temperaturzuständen und chemischen Zuständen, wie sie in Antrieben von Raumfahrzeugen herrschen, möglich. Dadurch kann auch die oxidierende und/oder reduzierende Gasatmosphäre praxisnah realisiert werden.
Es kann der weitere Verfahrensschritt blindverschließen von an dem Flammspritzbrenner befindlichen Pulverinjektoren in dem Verfahren enthalten sein.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verfahren weiterhin den Schritt des Messens einer molekularen Zusammensetzung des Gasstrahls mittels eines Spektroskops auf.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verfahren weiterhin den Schritt Messen einer Oberflächentemperatur des Prüfkörpers auf, wobei das Messen der Oberflächentemperatur entweder mittels eines Thermoelements oder mittels einer Thermokamera unter Aufnahme von Infrarotstrahlung einer Oberfläche des Prüfkörpers erfolgt.
Die Thermoelemente können dabei beispielsweise auf der Oberfläche des Prüfkörpers angeordnet sein.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verfahren den Schritt des Anpassens einer molekularen Zusammensetzung des Gasstrahls an eine Zielzusammensetzung des Gasstrahls auf.
Mit anderen Worten wird durch dieses Verfahren eine Feedback-Schleife bereitgestellt, welche gewährleistet, dass durch den Gasstrahl des Flammspritzbrenners eine optimale Simulation der Zustände, wie sie in einem Antrieb eines Raumfahrzeuges im Abgasbereich vorliegen, erfolgt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das Messen der molekularen Zusammensetzung des Gasstrahls entlang einer Längsrichtung des Gasstrahls mittels eines Spektroskops an verschiedenen Stellen erfasst. Mit anderen Worten wird der Gasstrahl mittels des Spektroskops entlang der Längsachse des Gasstrahls abgetastet und vermessen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung erfolgt das Anpassen auf Basis eines Ergebnisses einer spektroskopischen Messung der molekularen Zusammensetzung.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung erfolgt das Anpassen der molekularen Zusammensetzung auf Basis eines Ergebnisses einer Messung der Oberflächentemperatur des Prüfkörpers.
Gemäß der Erfindung ist die Verwendung eines Flammspritzbrenners zum Prüfen von Prüfkörpern aus hochtemperaturfestem Material angegeben.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Programmelement angegeben, das, wenn es auf einem Prozessor einer Prüfvorrichtung ausgeführt wird, den Prozessor anleitet, die oben und im Folgenden beschriebenen Schritte durchzuführen.
Im Folgenden werden mit Verweis auf die Figuren Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 bis 4 zeigen schematische, zweidimensionale Darstellungen von Prüfvorrichtungen, mit denen das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann.
5 und 6 zeigen Flussdiagramme von Verfahren gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
In der folgenden Figurenbeschreibung werden für die gleichen oder ähnlichen Elemente die gleichen Bezugsziffern verwendet.
1 zeigt eine Prüfvorrichtung 100 zum Prüfen von Prüfkörpern 101 aus hochtemperaturfestem Material. Dabei weist die Prüfvorrichtung einen Flammspritzbrenner 102 auf, der hier beispielhaft als Hochgeschwindigkeits-Flammspritzbrenner 105 ausgeführt ist. Weiterhin ist die Prüfkörperhalterung 103 gezeigt, welche den Prüfkörper 101 in einem definierten und fest vorgegebenen Abstand 106 zu dem Flammspritzbrenner fixiert. Um verschiedene Testparameter zu realisieren, kann jedoch der Abstand 106 mittels der Prüfkörperhalterung an den Flammspritzbrenner angenähert oder entfernt werden. Weiterhin ist der Prüfkörper unter einem Winkel α 107 gegenüber dem Gasstrahl 104 des Flammspritzbrenners fixiert. Mit anderen Worten sind der Flammspritzbrenner und die Prüfkörperhalterung derart ausgeführt, dass eine Relativbewegung 108 durchgeführt werden kann. Damit sind der Abstand 106 und der Winkel 107 veränderbar.
Weiterhin ist gezeigt, dass in den Flammspritzbrenner lediglich ein Oxidator 110 und ein Brennstoff 109 jeweils oberhalb und unterhalb der zentralen Achse eingegeben wird. Es ist jedoch zu sehen, dass gemäß der vorliegenden Erfindung kein Spritzzusatz gemäß der vorliegenden Erfindung in den Flammspritzbrenner eingegeben wird. Mit anderen Worten sind Pulverinjektoren des Hochgeschwindigkeits-Flammspritzbrenners blindgeschlossen.
Dabei ist von entscheidender Bedeutung, dass für die Prüfvorrichtung und das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung jedoch kein Spritzzusatz verwendet wird. Es wird lediglich ein Gasstrahl, der auch als Flammstrahl bezeichnet werden kann, von dem Flammspritzbrenner erzeugt, um den gewünschten Gasstrahl, der ein Raketenantriebsabgas simuliert, zu erzeugen.
2 zeigt eine Prüfvorrichtung, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann, wobei ein Flammspritzbrenner 102 den Gasstrahl 104 auf den Prüfkörper 101 abgibt. Mittels der Prüfvorrichtung kann der Abstand 106 und der Winkel 107 aufgrund der Relativbewegung, welche symbolisch durch die Pfeiler 108 dargestellt ist, realisiert werden.
Weiterhin ist in 2 gezeigt, dass der Flammspritzbrenner 102 den vollständigen Gasstrahl 104 ausgibt. Extern von dem Flammspritzbrenner ist eine Fremdgaszuführung 201 gezeigt, welche einen Fremdgastank 202 aufweist und Leitungen 203, um das Fremdgas in den Gasstrahl 104 einzuführen beziehungseise einzublasen. Alternativ ist es auch möglich, die Fremdgaszuführung innerhalb des Flammspritzbrenners durchzuführen. Weiterhin ist es möglich, das Fremdgas über ein Y-Stück mit dem Oxidator (Sauerstoff) zu vermischen und dieses Gemisch dann anschließend von hinten in die Brennkammer des Flammspritzbrenners zu injizieren. Diese beiden Alternativen sind jedoch in 2 nicht gezeigt.
Bei allen drei Alternativen kann dadurch eine optimale Anpassung der Stöchiometrie des Gasstrahls erreicht werden. Auch kann eine optimale Zusammensetzung des Gasstrahls erreicht werden, die optimalerweise die Zustände in einem Abgasbereich eines Antriebs eines Raumfahrzeugs nachbildet.
3 zeigt eine Prüfvorrichtung 100, mit welcher ein Prüfkörper 101 auf seine Temperaturfestigkeit durch Bestrahlung mit einem Gasstrahl 104 aus dem Flammspritzbrenner 102 geprüft wird. Weiterhin sind Thermoelemente 300 gezeigt, welche auf verschiedenen Oberflächen des Prüfkörpers 101 angeordnet sind. Die Halterung 103, welche veränderlich in ihrem Abstand und in ihrer Winkeleinstellung ist, fixiert den Prüfkörper im Gasstrahl. Weiterhin weist die Prüfvorrichtung 100 ein Spektroskop 301 auf, welches an verschiedenen Positionen entlang der Langsachse des Gasstrahls spektroskopische Daten aufnehmen kann. Dabei sind beispielhaft die beiden Positionen 305 und 306 gezeigt. Über Leitung 307 ist das Spektroskop mit einer Kontrolleinheit 304 verbunden. Ebenso ist die Thermokamera 302 über die Leitungen 308 mit der Kontrolleinheit 304 verbunden. Auch ist ein Thermoelement 300 mittels der Leitung 303 an die Kontrolleinheit 304 angeschlossen. Diese zentrale Kontrolleinheit, welche als Rechen- und Speichereinheit ausgeführt sein kann, ermöglicht es, Daten von dem Spektroskop, dem Thermoelement und der Thermokamera zu sammeln. Auf Basis dieser Daten kann beispielsweise über Leitungen 309 die Zufuhr von Brennstoff und Oxidator, welche in Tanks 310 und 311 separat gespeichert sein können, angepasst werden. Mit anderen Worten ist dadurch eine Feedback-Schleife gezeigt, mit welcher eine optimale molekulare Zusammensetzung des Gasstrahls 104 erreicht werden kann.
Die Kontrolleinheit 302 kann beispielsweise folgendes regeln und/oder steuern: Hinsichtlich der Testaufgabe kann es primär erforderlich sein, Wasserdampf bis zu 30% bezogen auf das Gesamtgas des Gasstrahls zur Verfügung zu stellen. Darüber hinaus kann ein Rest-Sauerstoffgehalt bis zu 15% erforderlich sein. Es sind primär diese Komponenten, die an einer chemischen Korrosion der Hochtemperaturmaterialien beteiligt sind. Die Kontrolleinheit 304 kann auf Signale des Spektroskops 302, des Thermoelements 300 und/oder der Thermokamera 302 hin die Dosierung von Brennstoff und Oxidator, welche in Tanks 310 und 311 separat gespeichert sind, regeln und/oder steuern.
Beispielsweise kann dadurch eine Feedback-Schleife durch die Vorrichtung bereitgestellt werden, die zu optimalen Simulationsergebnissen führen kann.
4 zeigt eine Prüfvorrichtung 100, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann. Es ist der Prüfkörper 101, gehaltert durch die Prüfkörperhalterung 103 sowie der Gasstrahl 104 gezeigt. Der Flammspritzbrenner 102, der hier beispielhaft als Hochgeschwindigkeits-Flammspritzbrenner ausgeführt ist, weist eine Vorsatzdüse 400, ein Kühlsystem 401 sowie eine Brennkammer in Laval-Düsengeometrie 402 auf.
An der Vorsatzdüse 400 können verschiedene Längen angeflanscht werden. Diese Düse dient der Führung des beschleunigten und gezündeten Gemischs bis zur Düsenaustrittsöffnung. Ab dort beginnt der sogenannte Freistrahlbereich. Der Freistrahl, der auch als Gasstrahl bezeichnet wird, ist im wunschgemäßen Abstand und wunschgemäßen Winkel auf die Prüfkörperoberfläche gerichtet.
Das Kühlsystem 401 dient der Kühlung der Düse 400 und der Brennkammer 402. Dabei kann beispielsweise eine Wasserkühlung oder auch eine Luftkühlung eingesetzt werden. Die Brennkammer 402 weist eine Laval-Düsengeometrie auf. Hier wird das Oxidator-/Brennstoffgemisch gezündet. Die Verbrennung führt zu einer stark beschleunigten Gasströmung, die durch die Laval-Geometrie mehrfache Überschallgeschwindigkeit erreicht.
Weiterhin ist der Hochgeschwindigkeits-Flammspritzbrenner derart ausgeführt, dass daran befindliche Pulverinjektoren blindgeschlossen sind.
Es erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel sowie in jedem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung keine Injektion von Spritzzusatz, also keine Injektion von beispielsweise Pulver. Es wird lediglich der Hochgeschwindigkeitsgasstrahl zur Überprüfung der hochtemperaturfesten Materialien verwendet.
5 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Flussdiagramm der 5 weist den Verfahrensschritt Erzeugen eines Gasstrahls durch einen Flammspritzbrenner unter Vermeidung einer Verwendung eines Spritzzusatzes des Flammspritzbrenners S1 auf. Weiterhin ist der Schritt S2 gezeigt, mit welchem das Platzieren eines Prüfkörpers in dem Gasstrahl des Flammspritzbrenners durchgeführt wird. Weiterhin ist der Schritt Prüfen eines Zustandes des Prüfkörpers nach dem Platzieren in dem Gasstrahl, welcher mit S3 bezeichnet ist, Teil des Flussdiagramms der 5.
6 zeigt ein weiteres Flussdiagramm gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die beiden Schritte S1 und S2 sind analog zum bereits beschriebenen Ausführungsbeispiel der 5. Jedoch ist mit Verfahrensschritt S3a das Messen einer molekularen Zusammensetzung des Gasstrahls mittels eines Spektroskops gezeigt. Anschließend erfolgt der Schritt S3c, mit welchem das Anpassen einer molekularen Zusammensetzung des Gasstrahls an eine Zielzusammensetzung des Gasstrahls erfolgt. Danach kann wieder das Überprüfen des Zustandes des Prüfkörpers nach dem Platzieren in dem Gasstrahl durch Schritt S3 erfolgen.

Claims

Verfahren zum Prüfen von Prüfkörpern aus hochtemperaturfestem Material, das Verfahren aufweisend die Schritte: Erzeugen eines Gasstrahls durch einen Flammspritzbrenner unter Vermeidung einer Verwendung eines Spritzzusatzes des Flammspritzbrenners (S1), Platzieren eines Prüfkörpers in dem Gasstrahl des Flammspritzbrenners (S2), und Prüfen eines Zustandes des Prüfkörpers nach dem Platzieren in dem Gasstrahl (S3).
Verfahren gemäß Anspruch 1, das Verfahren weiterhin aufweisend den Schritt: Messen einer molekularen Zusammensetzung des Gasstrahls (S3a), wobei das Messen spektroskopisch erfolgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, das Verfahren weiterhin aufweisend den Schritt: Messen einer Oberflächentemperatur des Prüfkörpers (S3b), wobei das Messen der Oberflächentemperatur entweder mittels eines Thermoelements oder mittels einer Thermokamera unter Aufnahme von Infrarotstrahlung einer Oberfläche des Prüfkörpers erfolgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, das Verfahren weiterhin aufweisend den Schritt: Anpassen einer molekularen Zusammensetzung des Gasstrahls an eine Zielzusammensetzung des Gasstrahls (S3c).
Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei das Anpassen auf Basis eines Ergebnisses einer spektroskopischen Messung der molekularen Zusammensetzung erfolgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei das Anpassen auf Basis eines Ergebnisses einer Messung der Oberflächentemperatur des Prüfkörpers erfolgt.
Verwendung eines Flammspritzbrenners zum Prüfen von Prüfkörpern aus hochtemperaturfestem Material unter Vermeidung einer Verwendung eines Spritzzusatzes des Flammspritzbrenners.