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Darstellung der Anwendungen und Zukunftsperspektiven keramischer Werkstoffe zur Reibungs- und Verschleißminderung und Beschreibung der Beweggründe für den Einsatz von Keramik im High-Tech-Bereich sowie deren Wandel mit fortschreitendem Entwicklungsstand. Anschließend folgen Arbeiten, die sich mit der Reaktion keramischer Oberflächen auf statische und tribologische Gleitbeanspruchungen befassen.
Tribologisches Hochtemperaturverhalten keramischer Werkstoffe unter Festkörperreibungsbedingungen
(1988)
Raman spectroscopic investigations in tribologically stressed contacts of (Ti,Mo)(C,N) ceramics
(1997)
Gas turbine efficiency is significantly influenced by the pressure losses caused by the inevitable gap between the rotating turbine blades and the stator parts.
Because contact between rotor and stator cannot be completely avoided with a small gap, systems are designed to allow for some rubbing. Honeycombs or abradable MCrAlY stator coatings are normally used to minimize the wear of the rotor blades when rubbing occurs. But, more efficient solutions must be developed on modern engines, because both suffer temperature limitation and standard MCrAlY have usually poor abradability. For higher temperature and closer control of the gap, a thick thermal-barrier coating must be applied on the stator, but presently with no rub-tolerance.
To increase the abradability of the stator coating, its composition and structure can be modified, but such changes must be strictly limited with respect to the loss of erosion resistance.
The solution can then lie in the hardening of the rotating blade tip to permit the use of harder ceramic or metallic coatings on the stator with greater resistance to erosion. These systems typically consist, on the blade tip, of hard particles embedded in a softer metallic matrix.
In the present programme, it is therefore intended:
- to assess the present European solutions, standard or in development, for outer air seals and blade tips.
- to develop coated grits or new grits for the hardening of the blade tips, as well as to improve the matrix and the stator coating for long life systems.
- to optimize the most promising of these systems, that will be tested on development rigs and on engine.
The consortium includes several engine manufacturers, which are the potential users of the innovating solutions to be developed, companies having a large experience in the field of abradables and tip coatings
and non industrial partners involved in tribology and materials science.
Keramische Werkstoffe haben auf Grund ihrer herausragenden tribologischen Eigenschaften in verschiedenen Bereichen der Produktion Anwendung gefunden und dadurch klassische Werkstoffe verdrängt. Gegenüber Matallen bieten sie bei Mangelschmierung sowohl unter Gleit- als auch grundsätzlich unter Wälz-beanspruchung Schutz vor adhäsivem Versagen. Hohe Herstellungskosten, bedingt bei der Endbearbeitung von Konturen mit verschiedenen und veränderlichen Radien, behindern die breite Marktdurchdringung. Mit der Modellverschleißprüfung - angelehnt an die DIN 50 324 - kann der bearbeitungsbedingte Einfluss auf das tribologische Verhalten unter Wälzreibung untersucht werden.
The results presented in this paper have clarified experimentally, that titania-based Magnéli-phases (Ti4O7/Ti5O9 and Ti6O11) with (121)-shear planes exhibit more anti-wear properties than lubricious (low-frictional) properties. The results for dry sliding indicate that the coefficients of friction lie in the range of 0.10.6 depending on sliding speed and ambient temperature. The COF decreased with increasing temperature (T= 22800°C) and increasing sliding speed (?= 1-6 m/s). The dry sliding wear rate was lowest for the Al2O3 at 1 m/s at 800°C with values of 1.7 × 10-8 and 6.4 × 10-8 mm3/N m, comparable to boundary/mixed lubrication, associated with a high dry frictional power loss of 30 W/mm2. The running-in wear length and, more important, the wear rate decreased under oscillating sliding tests with increasing relative humidity. The contact pressure for high-/low-wear transition increased under oscillating sliding tests with increasing relative humidity. At room temperature and a relative humidity of 100% the steady-state wear rate under dry oscillating sliding for the couple Al2O3/Ti4O7Ti5O9 was lower than 2 × 10-7 mm3/N m and therefore inferior to the resolution of the continuous wear measurement sensor. TEM of wear tracks from oscillating sliding revealed at room temperature a work-hardening as mechanism to explain the running-in behavior and the high wear resistance. The hydroxylation of titania surfaces favours the high-/low-wear transition.
8 wt% Y2O3-ZrO2 spray powder and thermally sprayed as thermal barrier coatings on outer air seals were characterized by Raman microprobe spectroscopy (RMS) and transmission electron microscopy to investigate the lateral distribution, composition, structure and grain size of ZrO2 phases and to separate ZrO2 and Y2O3. RMS of transfer layers on ZrO2-coated shrouds after rub tests against SiC laser-tipped metallic blades showed the formation of metallic oxides MeIMeII2O4 of spinel type. Wear tracks were partly covered by graphite and spinel-type oxides. In some cases, the latter were better detectable after laser enhanced cleaning by burning off the covering carbon layer.
Plusieurs essais coopératifs multilaboratoires ont été effectués en 1997, 1998, 1999, 2000 et 2001 par le groupe de travail DIN 51834 Essais tribologiques dans l'appareil translation-oscillation. Il s'agit d'essais effectués sur des machines différentes et dans différents lieux. Pour simplifier, on les dénomme essais circulaires. L'analyse statistique des résultats a examiné l'influence du choix du solvant, du modèle de l'appareil et des paramètres sur les caractéristiques tribologiques des différentes huiles. Le coefficient de frottement et les taux d'usure peuvent être classés selon les dix différents solvants utilisés: l'isopropanol donne des coefficients de frottement plutôt bas et l'isoparaffine des coefficients plutôt élevés. La variation du coefficient de frottement selon le modèle de machine se situe entre 0,2 % et 0,9 % et les taux d'usure ne sont pas non plus affectés par les solvants. Le diamètre de l'empreinte est insuffisant pour caractériser la résistance à l'usure d'une huile. Le critère pour l'adhésion a du être redéfini. La répétabilité et la reproductibilité ont été améliorées.
Englische Übersetzung von BAM Forschungsbericht 237! Keramische Werkstoffe haben auf Grund ihrer herausragenden tribologischen Eigenschaften in verschiedenen Bereichen der Produktion Anwendung gefunden und dadurch klassische Werkstoffe verdrängt. Gegenüber Metallen bieten sie bei Mangelschmierung sowohl unter Gleit- als auch grundsätzlich unter Wälzbeanspruchung Schutz vor adhäsivem Versagen. Hohe Herstellungskosten, bedingt bei der Endbearbeitung von Konturen mit verschiedenen und veränderlichen Radien, behindern die breite Marktdurchdringung. Mit der Modellverschleißprüfung - angelehnt an die DIN 50 324 - kann der bearbeitungsbedingte Einfluss auf das tribologische Verhalten unter Wälzreibung untersucht werden.