Analytische Modellierung und Analyse des Bruchs gradierter Beschichtungen

• Antragsteller: Professor Dr. Siegfried Schmauder
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Beschichtungs- und Oberflächentechnik ; Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 242255642

Gradierte Werkstoffbeschichtungen (functionally graded coatings (FGCs)) werden als thermische, Abrieb- und Korrosionsschutzschichten in verschiedenen Gebieten der Nuklearenergie, der Luftfahrt und der Technik eingesetzt. Sie sind unterschiedlichen thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt und müssen hohen Temperaturen, Abrieb und aggressiven Umgebungsbedingungen standhalten. Jedoch können Risse von Defekten ausgehen oder Mikrorisse treten während der Herstellung oder im Einsatz auf. Die Untersuchung des Bruchs von FGC-Strukturen ist daher wichtig für ein besseres Verständnis des Risswiderstandes von gradierten Schichten.Das Hauptziel des Projektes ist die Entwicklung eines halb-analytischen Modells für die Bruchanalyse von FG thermischer Schichtbarrieren auf einem homogenen Substrat unter thermo-mechanischer Belastung unter Berücksichtigung von Plastizität. Das Problem des Bruchs von FGC/Homogenen Strukturen (halbunendliches isotropes Medium) wird unter dem Einfluss thermischer und/oder mechanischer Belastungen betrachtet (z.B. Wärmefluss, thermische Eigenspannungen aufgrund von Abkühlung-Aufheizung, Zug). Diese Probleme spiegeln die wichtigsten Fälle wieder, die beim Einsatz von FGC-Strukturen auftreten. Die Probleme von FGC-Strukturen mit vorgegebenen Systemen von Rissen (Kantenrissen, Risse in der Grenzfläche zwischen Beschichtung und Substrat oder Innerrisse in FGCs) werden generell mit Hilfe von Integralgleichungen und unter Einbeziehung plastischer Zonen formuliert (im Rahmen des Dugdale-Modells). Dann werden typische Rissmuster für FGCs aus in der Literatur verfügbaren Experimenten auf der Basis des hergeleiteten Modells im Detail untersucht. Die thermischen und elastischen Eigenschaften von FGCs werden aus Sicht der praktischen Anwendung und gleichzeitig im Hinblick auf die Anwendbarkeit auf das Problem von Rissen in FGCs formuliert. Auf der Basis dieses halbanalytischen Modells wird die Simulation von Bruchprozessen in FGCs für verschiedene reale Materialkombinationen (Keramik/Keramik, Keramik/Metall) und Materialeigen-schaftsvariationen durchgeführt. Diese Simulation wird Erkenntnisse für die Wahl geeigneter Materialkombinationen und das Gradierungsprofil von FGCs liefern, um den Bruchwiderstand dieser Werkstoffe zu optimieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen