Der katastrophale Ausfall in einer Plasma-Recyclinganlage begann mit dem Ablösen der inneren Keramikbeschichtung. Die Schutzschicht, die mittels thermischem Spritzen (Plasmaspritzen) aufgetragen wurde, löste sich vom metallischen Substrat, was dazu führte, dass die äußere Reaktorhülle durch direkte Einwirkung des Lichtbogens schmolz. Die anschließende Analyse erforderte eine 3D-Rekonstruktion des Ablationsphänomens, um die Grundursache zwischen zyklischer Ermüdung und Anwendungsfehler zu ermitteln.
Differentialdiagnose mittels SimScale und GOM Inspect 🔥
Das Ingenieurteam nutzte GOM Inspect, um die Restgeometrie des Reaktors zu scannen und eine Punktwolke des ablatierten Bereichs zu erstellen. Dieses reale Modell wurde in SimScale importiert, um eine Finite-Elemente-Simulation (FEM) der thermischen Spannung durchzuführen. Zwei Szenarien wurden verglichen: eine Beschichtung mit perfekter Haftung, die thermischen Zyklen von 1200°C ausgesetzt war, und eine mit einer fehlerhaften Grenzfläche, die eine schlechte Plasmaspritzapplikation simulierte. Die Ergebnisse zeigten, dass die Versagenszone mit der Spannungskonzentration im Modell der schlechten Haftung übereinstimmte, wodurch reine Ermüdung als primäre Ursache ausgeschlossen wurde.
Lehren aus der Inspektion von thermischen Beschichtungen ⚠️
Die Korrelation zwischen der simulierten und der realen Ablation zeigte, dass die Ablösung nicht durch allmähliche Rissbildung, sondern durch eine plötzliche Delamination an der Keramik-Metall-Grenzfläche erfolgte. Dies unterstreicht die Notwendigkeit, Plasmaspritzprozesse vor der Inbetriebnahme mit zerstörungsfreien 3D-Prüfungen zu validieren. In Umgebungen mit extremer thermischer Ermüdung sind die digitale Inspektion mit GOM und die vorherige Simulation in SimScale nicht optional; sie sind der einzige Weg, um das Schmelzen der Hülle zu vermeiden.
Wie kann die Ausbreitung von submikrometergroßen Rissen in der Keramikbeschichtung eines thermischen Plasmareaktors in 3D modelliert werden, um den genauen Punkt des katastrophalen Ablösens unter thermischen Ermüdungszyklen vorherzusagen?
(PS: Materialermüdung ist wie deine nach 10 Stunden Simulation.)