Shark skin inspired surfaces for aerodynamically optimized high temperature applications : fabrication, oxidation, characterization

  • Haifischhaut-inspirierte Oberflächen für aerodynamisch optimierte Hochtemperaturanwendungen : Herstellung, Oxidation, Charakterisierung

Büttner, Claudia Christine; Schneider, Jochen (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2011)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2011

Kurzfassung

Die hohen Geschwindigkeiten von Haien lassen sich unter anderem mit der reduzierten Reibung zwischen ihrer Haut und dem Wasser erklären. Dafür sind Ribletstrukturen auf den Schuppen des Haifisches verantwortlich. Bei der Verwendung einer mit Riblets strukturierten Oberfläche wird der Anteil der turbulenten Impulsübertragung mit der Wand, welcher die Ursache für den Reibungswiderstand ist, vermindert. Dies gilt für Fluide, wie Flüssigkeiten und Gase. Der Effekt der Verminderung des Reibungswiderstandes wurde bereits erfolgreich auf Flugzeugtragflächen, welche mit Ribletfolien beklebt wurden, getestet. Es entsteht ein reduzierter Stömungswiderstand, was einen geringeren Treibstoffverbrauch zur Folge hat. Eine neue Anwendung für Riblet-strukturierte Oberflächen können Lauf- und Leitschaufeln für Flugzeugtriebwerke sein. Beschichtungen für diese Schaufeln, welche mit Riblets strukturiert sind, fungieren als Oxidations- und Korrosionsschutz und bieten zusätzlich eine Reduktion des Reibungswiderstand auf der Oberfläche. Die reduzierte Reibung der Luft würde zu einer höheren Effektivität der Triebwerke führen. In der vorliegenden Doktorarbeit wurden die Herstellung, Oxidation und Charakterisierung von Ribletstrukturen im Mikrometerbereich für aerodynamisch optimierte Hochtemperaturanwendungen untersucht. Zunächst wurden die notwendigen Ribletgrößen für die unterschiedlichen Bereiche im Triebwerk berechnet. Die Größe der reibungsreduzierenden Riblets hängt von den Umgebungsbedingungen wie Geschwindigkeit, Temperatur und Druck des strömenden Gases ab. Die notwendigen Ribletgrößen für den Kompressoreinlass, Kompressorauslass, Turbineneinlass und Turbinenauslass wurden auf Grundlage eines Beispiel-Flugzeugtriebwerkes berechnet. Die Berechnungen zeigen, dass die optimale Ribletgröße auf Triebwerksschaufeln je nach lokaler Temperatur, Druck und Geschwindigkeit des Gases im ein- bis zweistelligen Mikrometerbereich liegen. Für die Untersuchung des generellen Oxidationsverhaltens von möglichen Materialien für die Ribletherstellung wurden Titan, Nickel, Chrom, Aluminium, Silizium und Platin auf Nickel beziehungsweise Titan basierte Hochtemperatur-Substratwerkstoffe aufgebracht und bei Temperaturen zwischen 400 und 1000°C, je nach späterer möglicher Anwendung im Kompressor oder in der Turbine, oxidiert. Auf Grundlage der durchgeführten Berechnungen für die notwendigen Ribletgrößen wurden Ribletstrukturen hergestellt. Eine Machbarkeitsstudie für die Herstellung von Ribletstrukturen mit unterschiedlichsten Methoden wurde durchgeführt. In der vorliegenden Arbeit wurden direkte Strukturierungsmethoden, wie Lasermaterialabtrag und Diamantzerspanung, als auch Strukturierungsmethoden mit Hilfe von Masken untersucht. Als Masken wurden Metallmasken und Lackmasken verwendet. Durch thermische Verdampfung, Sputtern und galvanische Abscheidung wurden unterschiedliche Beschichtungen aufgebracht. Mit Hilfe der Methoden zur direkten Strukturierung wurden die besten Resultate mit der Laserstrukturierung erreicht. Die Photolithographie mit einer anschließenden galvanischen Abscheidung von Nickel zeigte die besten Ergebnisse für die Strukturierungsmethoden mit einer Maske. Alle untersuchten Methoden für die Ribletherstellung wurden bezüglich ihrer Anwendbarkeit zur Strukturierung von Teilen im Triebwerk beurteilt. Die hergestellten Ribletstrukturen wurden zwischen 900 und 1100°C oxidiert, um das Verhalten bei hohen Anwendungstemperaturen zu simulieren. Die Untersuchungen zeigen, dass die Strukturen auch nach der Oxidation noch intakt sind. Die Effektivität der Ribletstrukturen wurde für ein Ribletdesign im Ausgangszustand getestet. Ein hochskalliertes Modell wurde in einem Ölkanal gemessen, um die Reduzierung der Wandschubspannung zu beurteilen. Die gemessene Ribletoberfläche zeigte eine deutliche Wandschubspannungsverminderung von bis zu 4.9%. Diese Doktorarbeit identifiziert und bewertet damit mögliche Methoden zur Herstellung von effektiven Ribletstrukturen für den Hochtemperatureinsatz wie zum Beispiel für Teile im Flugzeugtriebwerk.

Einrichtungen

  • Lehrstuhl für Werkstoffchemie [521110]
  • Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik [520000]

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