Thermodynamische Untersuchungen der diffusions- und oxidationsbasierenden Verarmungsmechanismen von MCrAlY Schichten

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christoph Leyens
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 313838809

Hersteller moderner Gasturbinen sehen sich, infolge des Konkurrenzkampfes untereinander und mit alternativen Energiequellen, einem immer stärker werdenden Kostendruck bei der Entwicklung, Herstellung und Wartung ihrer Anlagen ausgesetzt. Höhere Einlasstemperaturen in die Turbine sowie längere Standzeiten der Komponenten sind gängige Methoden um die Effizienz und Wirtschaftlichkeit einer Anlage sicherzustellen. Zum Schutz vor dadurch bedingter erhöhter Oxidation und Korrosion werden Bauteile im Heißgaspfad der Turbine unter anderem mit MCrAlYs (M= Ni und/oder Co) beschichtet. Zur Gewährleistung maximaler Standzeiten der Turbine müssen MCrAlY Beschichtungssysteme auf die immer flexibleren Operationsregime moderner Gasturbinen abgestimmt werden. Eine experimentelle Anpassung stellt jedoch noch heute einen aufwendigen und kostenintensiven Prozess dar, da hierfür alle in Betracht gezogenen Systeme validiert und im Feldversuch getestet werden müssen. Es hat sich gezeigt, dass moderne thermodynamische Softwarepakete durch Berechnung systemrelevanter Zustandsgrößen und Simulation von Diffusionsvorgängen ein leistungsstarkes Hilfsmittel zur Vorhersage der Eigenschaften und Struktur von Werkstoffen sein können. Diese Programme sind zum heutigen Zeitpunkt jedoch lediglich in der Lage das Interdiffusionsverhalten zwischen festen und/oder flüssigen Phasen zu simulieren. Eine direkte Berücksichtigung des Einflusses der Atmosphäre ist aufgrund fehlender (kommerziell verfügbarer) Mobilitäts-Datenbanken für Sauerstoff und relevante Oxide (z.B. Al2O3, Cr2O3, Y2O3) nicht möglich. Im Falle von MCrAlY Beschichtungen ist die diffusionsgesteuerte Bildung einer Oxidschicht mit angrenzender Verarmungszone jedoch neben der mechanischen und korrosiven Belastung der Beschichtung entscheidend für die Lebensdauer. Das Forschungsvorhaben hat sich zum Ziel gesetzt, auslagerungsbedingte Oxidations- und Interdiffusionsprozesse anhand einer in der Literatur umfangreich charakterisierten gamma/beta MCrAlY-Deckschicht im Verbund mit IN738LC zu untersuchen. Auf Grundlage der gewonnenen Daten soll ein Simulationsmodell entwickelt werden, welches es anschließend anhand von Oxidationstests, Langzeitversuchen (12000 h), mikroskopischen Untersuchungen, EDX, XRD, sowie verfügbarer Literaturdaten zu validieren gilt. Gegenüber bisherigen Untersuchungen sollen aufbauend auf dem entwickelten Modell die relevanten Lebensdauerkriterien identifiziert und die Lebensdauer des untersuchten Beschichtungssystems abgeschätzt werden. Eine erfolgreiche Validierung des Simulationsmodells vorausgesetzt, ist in einem potentiellen vierten Antragsjahr geplant, das entwickelte Modell auf ein in Struktur und Zusammensetzung abweichendes gamma/gamma prime MCrAlY Beschichtungssystem zu applizieren. So soll die Allgemeingültigkeit, Zuverlässigkeit und Adaptionsfähigkeit überprüft, sowie relevante Stellparameter für die Präzision des entwickelten Simulationsmodells herausgearbeitet werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen