Theoretische Modellierung des Bruchs von funktionell gradierten thermischen Wärmedämmschichten bei erhöhten Temperaturen, einschließlich des Einflusses von Oxidationsprozessen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Stefan Weihe, seit 6/2023
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik ; Mechanik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 505664011

Wärmedämmschicht-Gradientenwerkstoffe (FGCs) werden in verschiedenen Ingenieursstrukturen eingesetzt, z. B. in Gasturbinenkomponenten, wo thermische Barriereschichten metallische Substrate vor Überhitzung und Schmelzen schützen. Um die Leistungsfähigkeit von Maschinen zu erhöhen, sollten die Betriebstemperaturen erhöht werden und dies basiert auf einer weiteren Verbesserung von FGCs in Bezug auf einer Erhöhung des thermischen und des Bruchwiderstandes. Daher ist eine Studie des thermischen Versagens von FGCs auf homogenen Substraten (FGC/H) unter dem Einfluss von hohen Wärmeflüssen von entscheidender Bedeutung.Bei hohen Temperaturen und komplexen mechanischen Belastungen treten Diffusion und oxidative Prozesse zwischen der keramischen Beschichtung und der darunterliegenden Legierung auf und dies resultiert in der Bildung einer thermisch wachsenden Oxidschicht (TGO). Daher wird das Problem für ein komplexes System aus einem FGC, dem darunterliegenden Metall (homogenes Substrat, H) und der TGO dazwischen, d. h. dem System FGC/TGO/H betrachtet.Das Hauptziel des Antrags ist die Entwicklung eines halbanalytischen Modells für die thermische Bruchanalyse von FGC/TGO/H-Strukturen, welches an der Metall/Keramik-Grenzfläche hohe Wärmeflüsse und mechanische Belastungen berücksichtigt. Der Hauptfokus wird auf die Einbeziehung von Sauerstoffdiffusionseffekten in das Modell gesetzt. Die Anwesenheit von vorhandenen Risssystemen im FGC/TGO-System wird berücksichtigt. Darunter Kantenrisse, Risse in der TGO-Schicht als auch innere Risse in der FGC. Eine Reihe neuer Probleme wird betrachtet, die bei erhöhten Temperaturen und hohen Wärmeflüssen auftreten, wie Diffusionsprobleme zusammen mit thermischen Leitfähigkeitsproblemen für FGC/TGO/H-Strukturen.Das Problem wird mittels singulärer Integralgleichungen formuliert. Die Lösung wird numerisch mittels speziellen Quadraturformeln für die Integrale erhalten. Außerdem werden für einige spezielle Fälle neue angenäherte analytische Lösungen ermittelt, z. B. für die Wechselwirkung thermisch durchlässiger Risse unter Berücksichtigung von Sauerstoffdiffusion in die Rissspitzen. Die thermischen, Diffusions- und elastischen Eigenschaften von FGCs werden vom Standpunkt praktischer Anwendung modelliert. Zur Vereinfachung des Problems werden einige funktionelle Formen, wie etwa exponentielle Funktionen oder eine geeignete Mischungsregel angewandt. Diese halbanalytische Approximation erlaubt die Korrelation der strukturellen Materialparameter (Gradierung, Rissparameter) und die thermo-mechanischen Belastungsparameter mit den Hauptbruchcharakteristiken, wie die thermischen Spanungsintensitätsfaktoren, die kritischen Wärmeflüsse als auch die Rissablenkungswinkel. Das Modell kann zu einem besseren Verständnis der Bruchprozesse bei erhöhten Temperaturen einschließlich der Oxidationseffekte als auch zur Bestimmung der Verbesserung des Bruchwiderstandes von FGC/TGO/H-Strukturen beitragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr. Siegfried Schmauder, bis 6/2023