Experimental and numerical thermo-structural analyses on SiC/SiCN filament-wound cylinders

Ceramic matrix composites (CMCs) are a class of advanced materials able to offer improved fracture toughness, high-temperature resistance and excellent strength-to-weight ratios compared to traditional monolithic ceramics. Among several types, non-oxide SiC/SiCN composites have demonstrated great potential to be applied as hot structures in turbine engines thanks to their high mechanical strength and oxidation resistance. In this context, the Department of Ceramic Composites and Structures (BT-KVS) of DLR Stuttgart is currently involved in a project concerning feasibility studies on the application of SiC/SiCN tubes into micro gas turbines. This work represents a research study in the development of an in-house experimental method for the validation of numerical simulations based on CMC tubes. An experimental mechanical and thermal characterization is performed on SiC/SiCN cylinders manufactured via filament-winding and PIP process. The aim of the characterization is to retrieve the in-plane laminate properties and then obtain the unidirectional lamina properties by means of an inverse Classical Laminate Theory (CLT) approach. These properties will feed a thermo-structural FEM model whose predictions will be compared with the outputs of experimentalin-situobservations, based on infrared thermography and Digital Image Correlation (DIC) techniques. In order to pursue the project objective, high-temperature experiments are performed on SiC/SiCN and stainless steel cylindrical specimens. The final results showed that the conceptualized experimental methodology is well-placed but has room for improvement, achievable with adjustments to the testing rig and to the inner temperature analysis method. Moreover, it is pointed out how the limitations of the conducted material characterization and the use of some modeling strategies affected the numerical and experimental results matching.

I compositi a matrice ceramica (CMC) sono una classe di materiali avanzati in grado di offrire una migliore tenacità alla frattura, resistenza alle alte temperature ed eccellenti rapporti forza-peso rispetto alle ceramiche monolitiche tradizionali. Tra i vari tipi, i compositi non ossidici come i SiC/SiCN hanno dimostarto grandi potenzialità per essere applicati in motori a turbina grazie alle loro elevate proprietà mecchaniche e resistenza all’ossidazione. In questo contesto, il Dipartimento di Compositi e Strutture Ceramiche (BT-KVS) del DLR di Stoccarda è attualmente coinvolto in un progetto riguardante studi di fattibilità per l’impiego di tubi in SiC/SiCN all’interno di microturbine a gas. Questo lavoro rappresenta uno studio di ricerca volto a sviluppare un metodo sperimentale per la validazione di simulazioni numeriche riguardanti tubi in CMC. Viene eseguita una caratterizzazione sperimentale meccanica e termica su cilindri cavi in SiC/SiCN fabbricati con tecnica filament-winding e processo PIP. L’obiettivo della caratterizzazione è ottenere le proprietà in piano del laminato per poi ottenere quelle della lamina unidirezionale con un approccio inverso alla Teoria Classica dei Laminati (CLT). Tali proprietà contribueranno allo sviluppo di un modello FEM termostrutturale i cui risultati saranno comparati con quelli provenienti da investigazioni sperimentaliin-situ. Queste ultime sono caratterizzate dall’uso di tecniche ottiche come la termografia a infrarossi e la fotogrammetria digitale. Per perseguire l’obiettivo del progetto, sono stati eseguiti esperimenti ad alta temperatura su campioni cilindrici in SiC/SiCN e acciaio inossidabile. I risultati finali hanno mostrato che la metodologia sperimentale è ben posta, ma ha margini di miglioramento ottenibili con aggiustamenti alla piattaforma di prova e modificando l’approccio per l’analisi della temperatura. Inoltre, viene analizzato come i limiti della caratterizzazione del materiale eseguita e quelli relativi alla modellazione dei contatti nell’analisi FEM hanno influenzato la corrispondenza tra i risultati numerici e sperimentali.