Schädigungsmechanismen von EB-PVD Wärmedämmschichten unter kombinierter Einwirkung von CMAS und Partikel-Erosion

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christoph Leyens; Professor Dr. Uwe Schulz
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 295935080

Die Schädigung von Wärmedämmschichten (WDS) in Flugtriebwerken und stationären Gasturbinen durch Ablagerungen aus Calcium-Magnesium-Aluminium-Silizium-Oxiden (CMAS) ist ein zunehmend zu beobachtendes Phänomen. Gleichzeitig kommt es bei niedrigeren Betriebstemperaturen zur Erosion. Das Gesamtziel des Vorhabens ist unverändert: die Schädigungsmechanismen von EB-PVD WDS unter kombinierter Einwirkung von CMAS und Erosion zu ermitteln, die wesentlichen Einflussgrößen in Korrelationsmatrizes miteinander zu verkoppeln und damit ein wissenschaftliches Verständnis des komplexen Schädigungsvorgangs zu erzielen. Dazu wurden an EB-PVD WDS die Einflussgrößen der CMAS-Infiltration auf das Erosionsverhalten erstmals wissenschaftlich-systematisch evaluiert. In der ersten Förderperiode wurde gefunden, dass die Mikrostruktur von 7YSZ einen großen Einfluss auf die CMAS-Infiltrationskinetik, die Erosionsbeständigkeit und auf die gekoppelte Schädigung hat. Die Ero-sionsbeständigkeit unter senkrechtem Partikeleinschlag erhöhte sich dabei häufig durch Infiltration, allerdings auf Kosten der mechanischen Integrität der WDS. Dies trifft auch auf die untersuchten CMAS-beständigeren Schichten aus Gd-Zirkonat und Al2O3 zu. Die Chemie von Ablagerung und WDS sowie die Infiltrationstiefe, welche im Temperaturgradienten deutlich anders war, bestimmen dabei die gebildeten Reaktionsphasen und den Schädigungsverlauf in der WDS. Erste analytische Modellierungen des Infiltrationsverlaufes, die Berechnung der Phasen (Calphad) sowie Messungen der mechanischen Eigenschaften konnten die Experimente qualitativ gut bestätigen und eröffnen Möglichkeiten für die Verbesserung der Schichten und Vorhersage der Schädigung. Ausgehend von den Ergebnissen der ersten Förderperiode soll in der beantragten abschließenden Projektphase die parallele Verbesserung von Infiltrationswiderstand und Erosionsbeständigkeit erzielt werden. Dies soll insbesondere mit EB-PVD 65%-YZ (ZrO2-65 Gew.% Y2O3) WDS sowie dichteren und gradierten SHVOF-Al2O3 Schutzschichten auf 7YSZ erreicht werden. 3D-Simulationsmodelle basierend auf realen Gefügen sollen den Mikrostruktureinfluss besser abbilden, das wissenschaftliche Potenzial für mögliche Optimierungen aufzeigen und die Schädigungsmechanismen besser aufklären. Die Infiltration mit einer jetzt reduzierten Anzahl an Ablagerungen wird insbesondere unter thermischer Zyklierung im Temperaturgradient zur Erzeugung realitätsnaher Eigenspannungszustände durchgeführt. Bei der Erosion steht die Variation des Einfallswinkels und der Partikelgrößen im Mittelpunkt, da hierdurch andere Schädigungsmechanismen zu erwarten sind und dies einen realitätsnäheren Bezug zur Turbine hat. Das aufgestellte Schädigungsmodell mit der Quantifizierung der Einflussgrößen auf die Erosion soll um weitere wesentliche Einflussfaktoren erweitert werden, um ihr komplexes Zusammenspiel zu verdeutlichen und die für viele Zusammenhänge noch nicht ausreichende Datenlage zu verbessern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen