Modellierung des Bruchs gradierter thermischer Wärmedämmschichten unter hohen Wärmeflüssen

• Antragsteller: Professor Dr. Siegfried Schmauder
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 397980451

Gradierte Wärmedämmschichten (functionally graded thermal barrier coatings (FGCs)) werden bevorzugt in der Energieerzeugung und in Luftfahrtanwendungen für die heißesten Teile von Gasturbinen eingesetzt. Die Leistungssteigerung dieser Maschinen erfordert eine Erhöhung der Betriebstemperatur und dies basiert auf der weiteren Verbesserung der FGCs im Hinblick auf eine Erhöhung der Temperaturstabilität und des Bruchwiderstandes. Während der Herstellung und im Betrieb entstehen kleine Defekte in den FGCs, von denen dann Risse ausgehen können; die Defekte und Risse ändern sowohl die thermische Leitfähigkeit als auch den Bruchwiderstand der TBCs. In diesem Zusammenhang ergibt sich die Forderung nach einer Studie zum thermischen Bruch von gradierten Wärmedämmschichten auf einem homogenen Substrat (FGC/H) unter dem Einfluss von hohen Wärmeflüssen.Das Hauptziel des Projektes ist es, ein halbanalytisches Berechnungsmodell für die Versagensanalyse gradierter Beschichtungen auf einem homogenen Substrat FGC/H (mit einer zusätzlichen Oxidschicht zwischen Schicht und Substrat als Folge von Oxidationsprozessen) unter thermischer und mechanischer Belastung. Eine Anzahl neuer Aspekte, die mit erhöhten Temperaturen und hohen Wärmeflüssen auftreten, werden adressiert, wie z.B. thermische Leitfähigkeitsprobleme für FGC/Hs mit einem existierenden System wechselwirkender Risse; die Risse werden aufgrund der thermischen Leitfähigkeit von Gas in den Rissen als teilweise thermisch durchlässig angenommen. Die Materialeigenschaften variieren signifikant mit der Temperatur und dies wird bei der Modellierung berücksichtigt. Die thermischen und elastischen Eigenschaften der FGCs werden vom Standpunkt deren praktischen Auswirkung auf spezifische Rissprobleme in FGCs unter thermischer und mechanischer Belastung modelliert. Das thermische Problem und die thermo-elastischen (plastischen) Probleme werden mit Hilfe von Integralgleichungen formuliert. Die Lösung wird numerisch unter Nutzung spezieller Quadraturformeln für die Integrale erhalten. Darüber hinaus werden neue analytische Lösungen für einige Spezialfälle abgeleitet, z. B. für die Wechselwirkung thermisch durchlässiger Risse. Dieses halbanalytische Vorgehen erlaubt es, Strukturparameter (Gradierung, Rissparameter) und die thermomechanischen Belastungsparameter mit den hauptsächlichen Versagenscharakteristiken zu verknüpfen. Das Modell kann in Verbindung mit einer detaillierten Parameteranalyse die Gradierung der FGCs und ihrer Struktur optimieren helfen, um den Bruchwiderstand der FGC/H-Systeme zu verbessern, die unter erhöhten Temperaturen im Betrieb sind. In dieser Hinsicht werden potentiell wünschenswerte thermische und mechanische Eigenschaften von FGCs sowie verfügbare reale Materialkombinationen für hoch entwickelte Wärmedämmschichten analysiert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen