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

• Erstellungsjahr: 2022

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Eines der Hauptziele, die parallel Verbesserung von CMAS- und Erosionsbeständigkeit durch die Entwicklung einer neuen EB-PVD-65YZ-Beschichtung, wurde während der Projektlaufzeit erfolgreich erreicht. Die Hochtemperatur-CMAS-Infiltrationstests haben eindeutig die schnelle Bildung einer Reaktionsschicht gezeigt, die aus Apatit- und Granatphasen besteht und die TBC vor weiterer Infiltration geschützt hat. Das CMAS-Verhalten dieser neuartigen Zusammensetzung erwies sich sogar als etwas besser als das von Gadoliniumzirkonat. Die vorgeschlagenen mikrostrukturellen Modifikationen von SHVOF-Aluminiumoxid wie porös, dicht, dicht-porös-dicht und porös-dicht-porös wurden erreicht. Aufgrund des Vorhandenseins von amorphem Aluminiumoxid während der Abscheidung wurde jedoch festgestellt, dass die damit einhergehende Rissbildung ein großes Hindernis in Bezug auf die CMAS-Beständigkeit darstellt. Dennoch lassen sich das grundlegende Verständnis und die Kenntnisse über die Beziehung zwischen SHVOF-Prozessparametern und Mikrostruktur direkt auf andere moderne TBC-Systeme übertragen. Die mit ThermoCalc durchgeführten thermodynamischen Gleichgewichtsberechnungen waren sehr hilfreich bei der Abschätzung der Randbedingungen für die Bildung von kristallinen Schutzphasen wie Apatit, Fluorit, Spinell usw. Diese Berechnungen liefern ein erstes Screening von TBC-Materialien, die CMAS resistent sind. Durch die Integration anderer Oxide in die Datenbank, wie z. B. TiO2, könnte die Genauigkeit der Vorhersage von Reaktionsprodukten verbessert werden. Ein weiterer Durchbruch gelang durch die Entwicklung der zerstörungsfreien 3D-Raman-Spektroskopie zum Erkennen der CMAS-Schäden in TBCs. Die Verwendung der konfokalen Mikroskopie in Verbindung mit der Raman-Spektroskopie ermöglichte es, die lokalen Phasenveränderungen, die durch den CMAS-Angriff entstanden sind, sichtbar zu machen. Dadurch konnte erfolgreich zwischen lokalen Spannungen, die aufgrund der Infiltration entstehen, und den chemisch indizierten Schädigungen differenziert werden. Diese Technik hat das Potenzial, auf reale Triebwerksbauteile angewendt zu werden, um vorzeitige Ausfälle der TBC-Systeme zu erkennen, wodurch Unfälle vermieden und die wirtschaftlichen Auswirkungen von CMAS auf die Triebwerkswartung gesenkt werden können. Ein weiterer Meilenstein in Bezug auf die EB-PVD-Mikrostrukturmodellierung wurde im Rahmen des Projekts erreicht: Die Konstruktion eines geometrischen 3D-Modells, das die Mikro- und Mesoporosität mit Hilfe einer Nano-CT-Technik darstellt. Weitere Forschungsanstrengungen sind erforderlich, um das geometrische Modell mit FEM-Modellen zu koppeln, um die durch CMAS-Infiltration unterstützte Schädigung innerhalb von TBCs zu simulieren. Die wichtigsten Ziele in Bezug auf das Erosionsverhalten der untersuchten TBC-Systeme sind erreicht und können wie folgt zusammengefasst werden. Im Falle eines 45° Partikelaufpralls sinkt im Allgemeinen die Erosionsrate im Vergleich zu 90°-Erosionsversuchen. Die senkrechte Rissbildung, welche zu einem verstärkten Abplatzen der infiltrierten WDS führt, wird aufgrund des geringeren Krafteintrages des aufprallenden Partikels durch eine oberflächennahe Rissbildung ersetzt. Die konstante Erosionsrate der nur teilweise infiltrierten 7YSZ WDS zeigte, dass es bei einer realitätsnahen thermozyklischen Infiltration zu keinem großflächigen Abplatzen des Infiltrierten Bereiches kommt. Weiterhin erfolgte erstmals die Untersuchung des Einflusses der Phasen in der Reaktionsschicht einer CMAS-infiltrierten WDS und deren mechanischen Eigenschaften auf das Erosionsverhalten. Es zeigte sich, dass im Falle der CMAS-infiltrierten GZO-WDS als auch der infiltrierten 65YZ WDS die Ausbildung eines Granat layers im oberen Bereich der Reaktionsschicht infolge seines hohen HIT/EIT zu einem um bis zu 40 % erhöhten erosiven Widerstand führt.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Effects of yttria content on the CMAS infiltration resistance of yttria stabilized thermal barrier coating system. Journal of Materials Science & Technology. 43 (2020) 74-83
  J. J. Gomez Chavez, R. Naraparaju, P. Mechnich, K. Kelm, U. Schulz, C.V. Ramana
  
• Comparative study of EB-PVD Gadolinium-zirconate and Yttria-rich zirconia coatings performance against Fe-containing CMAS infiltration. Corrosion Science. 190 (2021)
  J. J. Gomez Chavez, R. Naraparaju, C. Mikulla, P. Mechnich, K. Kelm, C. V. Ramana, U. Schulz
  
• Detrimental effects of sand ingression in jet engine ceramic coatings captured with Raman-based 3D rendering, Journal of the European Ceramic Society. 41 (2021) 1664- 1671
  C. Barrett, Z. Stein, J. Hernandez, R. Naraparaju, U. Schulz, L. Tetard, S. Raghavan
  
• Untersuchung des erosiven Verhaltens von Wärmedämmschichten nach CaO-MgO-Al2O3-SiO2 Infiltration, Dissertation, TU Dresden, 2021
  L. Steinberg