Deposition of ceramic thermal barrier coatings by gas flow sputtering
Final Report Abstract
Die Effizienz von Gasturbinen wird durch sehr hohe Verbrennungstemperaturen gesteigert, weshalb die verwendeten Hochtemperatur-Werkstoffe der Turbinenschaufeln von innen gekühlt werden. Zusätzlich sind die Schaufeln mit keramischen Wärmedämmschichtsystemen versehen, die durch gute Haftung, zum Grundmaterial passende Expansionskoeffizienten (Ausdehnung des Materials in Abhängigkeit der Temperatur) und niedrige Wärmeleitfähigkeit gekennzeichnet sind. Die heute verwendeten Wärmedämmschichten bei zyklischen Anwendungen (z.B. Flugtriebwerk) bestehen aus im Vakuum aufgedampftem Zirkonoxid mit einer porösen, säulenförmigen Mikrostruktur. Die heute eingesetzten Schichten besitzen eine begrenzte Lebensdauer und müssen routinemäßig auf Abplatzungen kontrolliert werden, wobei die Ursachen für ihr Versagen nur unzureichend verstanden sind. In diesem Projekt wurde eine alternative Technologie zum Aufbringen von Zirkonoxid-Schichten mittels Zerstäubung (Gasfluss-Sputtern) auf einem vereinfachten Modellsystem untersucht. Das verwendete Substrat als Modellsystem bildet bei hohen Temperaturen eine schützende Oxidschicht (Al2O3) auf der Oberfläche. Zentrale Punkte im Projekt waren der Einfluss der Prozessparameter auf die entstehende Mikrostruktur sowie die Bedeutung der Mikrostruktur für die Lebensdauer und Mechanismen, die zum Versagen der Wärmedämmschicht führen. Erste Ergebnisse zeigten, dass die Kompaktheit und Sinterneigung der Zirkonoxid-Schicht einen großen Einfluss auf die Lebensdauer bei zyklischer Temperaturbelastung haben und dass Abplatzungen an der Grenzfläche zwischen Substrat und Schicht begründet sind. In diesem Bereich mischen sich die Al2O3- Schicht und das Zirkonoxid, es kommt zu Porenbildung und letztendlich zu Rissen. Um die Lebensdauer zu verbessern und das Mischen der Oxide zu verhindern, wurde das Substrat gezielt vorbehandelt und mit Wärmedämmschichten versehen. Statt einer reinen Al2O3-Schicht entstand eine weitere Verbindung, ausgelöst durch Verunreinigungen im Substrat. Die veränderte Vorbehandlung führte zu einer Veränderung der Versagensmechanismen. Insgesamt platzte keine der Schichten ab, es konnten nur mikroskopisch Mikrorisse zwischen der neu gebildeten Verbindung und der Zirkonoxid-Schicht beobachtet werden. Eine Korrelation zwischen der Rissbildung und der Steifigkeit der Wärmedämmschicht konnte nicht gefunden werden, stattdessen wird vermutet, dass eine hohe Porosität der Zirkonoxidschicht ausreichend Toleranz bei einem thermisch bedingten Aufbeulen des Substrats verleiht und einen entsprechenden Spannungsabbau erlaubt. Im Projekt konnte mit dem genannten Gasfluss-Sputterverfahren eine Zirkonoxid-Schicht mit hoher Porosität (über 60 %) und langer Lebensdauer (kein Versagen nach 1700 Zyklen Temperaturbelastung) gefunden werden, die für den Einsatz als Wärmedämmschicht denkbar ist. Die Beschaffenheit des Substrats erwies sich als entscheidender Faktor in den Mechanismen, die zum Schichtversagen führen, weshalb als nächster Schritt eine Übertragung vom Modellsystem auf reale Nickel-Werkstoffsysteme denkbar ist.
Publications
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