Haltbarkeit thermomechanisch beanspruchter Wärmedämmschichtsysteme
Förderinstitution: AIF
Projektnummer: 13276 N/1 FVV-Nr. 067 990 (1.7.2002 bis 31.3.2006)
Kurzdarstellung
Ziel der vorliegenden Arbeit war, den Einfluss der Oberflächenrauheit der Haftvermittlerschicht auf die Haftung und damit die Lebensdauer keramischer Wärmedämmschichtsysteme zu untersuchen. Für plasmagespritzte APS-Wärmedämmschichten war die Wirkung einer gezielt auf optimale Haftung eingestellten Oberflächenrauheit der Haftvermittlerschicht und entsprechend für EB-PVD-Schichten eine möglichst glatte Oberflächengestalt zu untersuchen. Als Grundwerkstoff wurde die einkristalline Nickelbasislegierung CMSX-4 und als Haftvermittlerschicht die Standardschicht LCO22 verwendet.
Grundlage für diese Untersuchungen bilden betriebsnahe thermomechanische Versuche an Hohlproben mit einem Industriegasturbinenzyklus bzw. Fluggasturbinenzyklus unter Berücksichtigung einer gezielt aufgebrachten thermischen Vorauslagerung zur Einstellung unterschiedlicher Dicken der Oxiddeckschicht (TGO). An teilweise vorzeitig beendenden TMF-Versuchen sollten Strukturanalysen von geschädigten Wärmedämmschichtsystemen einen wichtigen Beitrag zur Klärung der Rissentstehungs- und Wachstumsmechanismen liefern.
Für APS-Wärmedämmschichtsysteme ergaben sich auf Haftvermittlerschichtoberflächen mit Ra=10µm längere Laufzeiten als mit geringerer Rauheit von Ra=8µm. Im Fall von EB-PVD-Wärmedämmschichtsysteme ließ sich zeigen, dass Polieren der Haftvermittlerschichtoberfläche zu einer schlechteren Haftfestigkeit der Wärmedämmschicht führt, da die Scherspannungen im Verbundsystem bei polierten Haftvermittlerschichtoberflächen (Ra<1µm) nicht durch die Bildung von Segmentierungsrissen abgebaut werden können.
Die durch thermomechanische und thermozyklische Beanspruchung hervorgerufenen Schädigungen in Wärmedämmschicht, TGO, Haftvermittlerschicht und Grundwerkstoff wurden systematisch in Abhängigkeit von Beanspruchung und Aufbau des Schichtsystems dokumentiert („Risskarte“) und ihre Entstehungs- und Wachstumsmechanismen beschrieben, um den Vergleich mit Schadensbefunden am Bauteil zu erleichtern.
Aufbauend auf metallografischen Untersuchungen und Finite-Elemente-Analysen wurde die Schädigungsentwicklung für APS- und EB-PVD-Wärmedämmschichten qualitativ beschrieben. Schließlich ließ sich Risswachstum unter thermomechanischer Beanspruchung mit einem vorhandenen Modell beschreiben.
Die im Rahmen dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse zum Einfluss der Oberflächenrauheit, zur Schädigungsentwicklung und zu Beschreibung des Risswachstums lassen sich direkt in der industriellen Praxis verwerten.