Influence of composition and processing on the oxidation behavior of MCrAlY-coatings for TBC applications

Toscano Alvarez, Juan Pablo; Singheiser, Lorenz

doi:28986

Influence of composition and processing on the oxidation behavior of MCrAlY-coatings for TBC applications = Einfluss der Zusammensetzung und der Herstellungsparameter auf das Oxidationsverhalten von MCrAlY-Haftvermittlerschichten für Wärmedämmschichtsysteme

Toscano Alvarez, Juan Pablo (Author)

2008

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Juan Pable Toscano Alvarez

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2008

UmfangV, 168 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2008

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Singheiser, Lorenz (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2008-06-04

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-26083
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/50446/files/Toscano_Alvarez_Juan.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Werkstoffe der Energietechnik (FZ Jülich) (413410)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Oxidation (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Wärmedämmschicht (frei) ; MCrAlY (frei) ; Haftvermittlerschicht (frei) ; thermal barrier coating (frei) ; bond coat (frei) ; oxidation (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Es ist bekannt, dass die Haftung des thermisch gewachsenen Oxids (TGO) zur Haftvermittlerschicht (Bond Coat) von entscheidender Bedeutung für die Lebensdauer von Wärmedämmschichten (TBC) in Schaufeln von Flugzeugtriebwerken und Gasturbinen ist. Die Stabilität dieses Schichtverbunds muss über lange Zeiträume (ca. 25000h) bei hohen Temperaturen gewährleistet sein. Daher ist es notwendig, dass das TGO ein langsames Wachstum und eine gute Haftung aufweist. Diese Arbeit untersucht den Einfluss verschiedener Parameter auf das Oxidationsverhalten und die Haftung des TGO auf MCrAlY Bond Coats. Zu diesem Zweck wurden drei verschiedene MCrAlY Beschichtungen ausgewählt und bei hohen Temperaturen ausgelagert. Dabei wurden TBC Schichtsysteme, freistehende Schichten sowie MCrAlYs auf IN738 (overlays) untersucht. Im ersten Teil der Arbeit wird der Einfluss der chemischen Zusammensetzung des Bond Coats auf das Oxidationsverhalten untersucht. Im weiteren Verlauf wird der Einfluss von nicht materialabhängigen Parametern bestimmt. Dazu gehören geometrische Parameter (Oberflächenrauhigkeit und Schichtdicke) sowie Vorbehandlungsparameter (Sequenz der Vorbehandlungsschritte, Wärmebehandlungs-parameter und Gehalt von O-Verunreinigungen). Im letzten Teil wurde versucht die kritische TGO Dicke zu bestimmen, bei der es zum Versagen des Schichtverbundes kommt. Die Ergebnisse zeigen, dass nicht nur die Zusammensetzung der MCrAlY Beschichtungen, sondern auch die besprochenen geometrischen und Prozessparameter einen Einfluss auf das Oxidationsverhalten und die Schichthaftung haben. Im Vergleich zu Ni-Basis Bond Coats zeigt die untersuchte Co-Basis MCrAlY eine bessere Haftung trotz höherer Oxidwachstumsrate. Es wird vermutet dass, dies mit der Stabilität der Mikrostruktur zusammenhängt. Die gewählten Geometrischen- und Vorbehandlungsparameter können einen Einfluss auf die Verteilung, Mobilität und Reservoir von Y haben. Dies wiederum bestimmt den Einfluss dieses Element auf das Oxidationsverhalten. Die Variation des Sauerstoffpartialdrucks in der Auslagerungsatmosphäre führte zu Oxidschichten, die sich nur in der Dicke, nicht aber in der Morphologie oder Zusammensetzung unterschieden. Diese zeigten einen Zusammenhang zwischen Oxidschichtdicke und Versagen von EB-PVD TBC Systeme.

The adherence of the thermally grown oxide (TGO) to the bond coat is recognized to be crucial for the lifetime of thermal barrier coatings (TBC) in aircraft engine and gas turbine blades. The stability of the system has to be guaranteed over extended service times (around 25000h) at high operation temperatures. With this aim, it is necessary that the TGO is slow-growing and adherent. This work studies the influence of different parameters in the oxidation behavior and scale adherence on MCrAlY-bond coats. For this purpose, three MCrAlY-coatings were selected and subjected to oxidation tests at high temperature in the form of TBC systems, overlay coatings and free-standing coatings. The first part of the work treats the influence of the chemical composition on the oxidation behavior of the bond coat. The second part investigates the influence of non material-dependent parameters: starting with geometrical parameters (surface roughness and coating thickness) and followed by pre-treatment/processing parameters (surface processing sequence, heat treatment parameters and amount of O-impurities). Finally, the work deals with the possibility of defining a critical TGO thickness to failure in EB-PVD TBC systems. The results demonstrate that not only the chemical composition of a MCrAlY-coating but also those geometrical and processing parameters selected can have an influence on its oxidation behavior and scale adherence. The studied Co-base coating exhibited better resistance to scale spallation despite faster oxidation kinetics, apparently favored by phase stability over a wide temperature range. Furthermore, it is shown that for a specific material, the oxidation behavior can be considerably influenced by the geometrical and processing parameters mentioned above. In general this influence was achieved due to a variation of the yttrium reservoir, mobility and/or distribution, which in turn determined to which extent this element can act at the surface during oxidation. Only by varying the oxygen partial pressure of the atmosphere could be obtained scales with different oxidation kinetics but identical in morphology and composition. After assessment of these scales it seemed to be that a critical TGO thickness to failure in EB-PVD TBC systems exists.

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