Optimierung von Wärmedämmschichten durch Variation der Kriechrelaxation und Grenzflächenrauigkeit
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Turbinenschaufeln in Gasturbinen sind extrem hohen Temperaturen ausgesetzt. Um die verwendeten Nickel-Werkstoffe vor diesen Temperaturen zu schützen, werden die Schaufeln von innen gekühlt. Zusätzlich werden sie mit einer keramischen Schutzschicht versehen, die durch ihre geringe Wärmeleitfähigkeit die Temperatur des Grundwerkstoffs deutlich senken kann. Obwohl solche Wärmedämmschichten seit langer Zeit eingesetzt werden, kann ihr volles Potential nicht genutzt werden, da die Schichten nach einiger Zeit versagen und abplatzen. Die genauen Ursachen des Abplatzens sind dabei nur unzureichend verstanden, da eine Vielzahl von Effekten eine Rolle spielt. In diesem Projekt wurde ein vereinfachtes Modellsystem verwendet, bei dem eine keramische Schicht ohne die sonst übliche Zwischenschicht direkt auf einen Eisenbasis-Grundwerkstoff aufgebracht wurde. Dabei wurde die Rauigkeit der Grenzfläche zwischen Grundwerkstoff und Schicht auf verschiedene Weise variiert, um den Rauigkeitseinfluss im Detail analysieren zu können. Zusätzlich wurde die Hochtemperaturfestigkeit des Grundwerkstoffs und der zwischen Grundwerkstoff und Wärmedämmschicht liegenden Oxidschicht variiert. Alle Experimente wurden durch Computersimulationen begleitet, um ein theoretisches Verständnis der Entstehung von Spannungen und Rissen zu erlauben. Es konnte gezeigt werden, dass die Festigkeit des Grundwerkstoffs einen starken Einfluss auf die Bildung von Rissen und die Lebensdauer hat. Dabei wurde innerhalb des Projektes insbesondere festgestellt, dass Segmentierungsrisse, die sich vertikal in der Wärmedämmschicht beim Aufheizen bilden, die Lebensdauer entscheidend mitbestimmen. Die Ursachen hierfür konnten mit Hilfe der Simulationsmodelle aufgeklärt werden. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass auch die Festigkeit der Oxidschicht vermutlich einen großen Einfluss auf die Schädigung hat. Zumindest einige Proben mit niedrigfester Oxidschicht zeigten extrem hohe Lebensdauern. Die Ergebnisse des Projekts sollen zukünftig dazu verwendet werden, um die in Wärmedämmschichten eingesetzten Materialien so zu variieren, dass entstehende Spannungen leichter abgebaut werden können, um so die Lebensdauer der Schichten zu erhöhen mit dem Ziel die Einsatztemperaturen der Turbinen erhöhen und so die Energieeffizienz steigern. Ursprünglich war vorgesehen, innerhalb des Projekts bereits Möglichkeiten der Werkstoffoptimierung experimentell umzusetzen. Es zeigte sich jedoch, dass zum einen die Verwendung von Proben mit einer definiert aufgebrachten Rauigkeit und zum anderen der Schädigungsmechanismus deutlich komplexer war als ursprünglich angenommen. Insbesondere die Rolle der Segmentierungsrisse war bei der Planung des Projekts nicht bekannt. Der Projektverlauf wurde deshalb entsprechend angepasst, um zunächst die grundlegenden Fragen der Schädigungsentwicklung detailliert zu klären. M. Bäker, „Hochleistungswerkstoffe für extreme Belastungen“, Das Ingenieurmagazin Transfer, Institut für Wissenschaftliche Veröffentlichungen, 2013.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- FEM simulation of crack propagation and oxidation induced stresses in a TBC model system, Proceedings of the 18th European Conference on Fracture (ECF), Dresden, 2010
Seiler, P., Bäker M., Rösler J.
- FEM simulation of oxidation induced stresses with a coupled crack propagation in a TBC model system, IOP Conf. series: Mat. Sci and Eng. 10 (2010) 012056
Seiler, P., Bäker, M. Rösler, J.
- Optimierung von APS-ZrO2-Wärmedämschichten durch Variation der Kriechfestigkeit und der Grenzflächenrauhigkeit, Schriften des Forschungszentrums Jülich, Reihe Energie und Umwelt / Energy and Environment 109, ISBN 978-3-89336-711-5, 2011
Schweda, M.
- Variation of Creep Properties and interfacial Roughness in Thermal Barrier Coating Systems, Proceedings of the 35th International Conference and Exposition on Advanced Ceramics and Composites (ICACC’11), Daytona Beach, 2011
Seiler, P., Bäker, M., Rösler, J.
- Influence of creep and cyclic oxidation in thermal barrier coatings, Int. J. Mater. Res., 103: 50-56, 2012
Seiler, P., Bäker, M., Rösler, J.
(Siehe online unter https://doi.org/10.3139/146.110629) - Influence of interface roughness, substrate- and oxide creep on damage evolution and lifetime of plasma sprayed zirconia-based thermal barrier coatings, Proc. Eng. (2013) (akzeptiert). (Proceedings of the 6th International Conference on Creep, Fatigue and Creep- Fatigue Interaction (CF-6), Kalpakkam, 2012
Beck, T., M. Schweda and O. Trunova
- Schädigungsverhalten und Lebensdauer von Oxidationsschutzund Wärmedämmschichten für Gasturbinenkomponenten bei thermo- mechanischer Beanspruchung, International VDI Conference „Alloys in Power Plant Technology“, Berlin, 2012
Beck, T., M. Schweda und O. Trunova
- Simulation of crack propagation in thermal barrier coatings with friction, Comp. Mater. Sci., 52: 236-239, 2012
Bäker, M., Rösler, J.
- Thermal cycling damage evolution of a thermal barrier coating and the influence of substrate creep, interface roughness and pre-oxidation, Int. J. Mater. Res., 103: 40- 49, 2012
Schweda, M., Beck, T., Singheiser, L.
(Siehe online unter https://doi.org/10.3139/146.110627) - Influence of Interface Roughness, Substrate and Oxide-Creep on Damage Evolution and Lifetime of Plasma Sprayed Zirconia-based Thermal Barrier Coatings, Procedia Eng., 55: 191-198, 2013
Beck, T., Schweda, M., Singheiser, L.
- Multi-scale failure mechanisms of thermal barrier coating systems, Comp. Mater. Sci. 80:27-34, 2013
Seiler, P., Bäker, M., Rösler, J.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2013.04.028) - Thermographic analysis and modelling of the delamination crack growth in a thermal barrier coating on Fecralloy substrate, Surf. Coat. Technol., 217: 124-128, 2013
Schweda, M., Beck, T., Offermann, M., Singheiser L.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2012.12.002) - Effect of support material creep on the delamination failure of air plasma sprayed thermal barrier coatings, Surf. Coat Technol., 259: 543-550, 2014
Schweda, M., Beck, T., Malzbender, J., Singheiser, L.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2014.10.033) - Influence of material models on the stress state in thermal barrier coating simulations, Surf. Coat. Technol, 240: 301-310, 2014
Bäker, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2013.12.045) - Versagensmechanismen eines Modellsystems von Wärmedämmschichten, Cuvillier Verlag Göttingen, ISBN 978-3-95404-687-4, 2014
Seiler, P.
