Effect of thermal and mechanical loadings on the degradation and failure modes of APS TBCs

Trunova, Olena; Schneider, Jochen M.

doi:27408

Effect of thermal and mechanical loadings on the degradation and failure modes of APS TBCs = Degradations- und Versagenstypen von APS-Wärmedämmschichten als Funktion von thermischer und mechanischer Beanspruchung

Trunova, Olena (Author)

2006

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Olena Trunova

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2006

Umfang127 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2006

Zusammenfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Schneider, Jochen M. (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2006-03-20

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-16836
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/61547/files/Trunova_Olena.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Georessourcen und Materialtechnik (500000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurwissenschaften (frei) ; Wärmeisolierstoff (frei) ; Plasmaspritzen (frei) ; Thermomechanische Eigenschaft (frei) ; Mechanisches Versagen (frei) ; Rissbildung (frei) ; TBC (frei) ; TMF (frei) ; failure modes (frei) ; damage evolution (frei) ; lifetime (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Wärmedämmschichten werden als Schutz für thermisch hoch belastete Gasturbinenkomponenten eingesetzt. Dabei dienen sie zur Steigerung der Lebensdauer oder zur Verbesserung des thermischen Wirkungsgrads, der nur durch eine deutlich höhere Prozesstemperatur erreicht wird. Die Lebensdauer der beschichteten Komponenten hängt entscheidend vom Haftvermögen der keramischen Wärmedämmschicht ab. Platzt diese ab, ändern sich Eigenschaften der Oberfläche und die Ermüdungsfestigkeit singt. Das Versagen der Wärmedämmschicht hängt von einer ganzen Reihe von Prozessen und Parametern ab, wie beispielweise die Bond Coat Oxidation, Sintern der Keramikschicht, die Rauigkeit der Metall/Keramikgrenzfläche, Unterschiede in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der einzelnen Schichten sowie Kriech- und Relaxationsverhalten der Komponenten. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich daher auf Untersuchungen zur Korrelation zwischen Belastung und Art des Versagens sowie der Lebensdauer von beschichteten Komponeneten für Hpchtemperaturanwendungen. Zusätlich werden Untersuchungen zur Ermittlung der Hauptmechanismen und Parameter, die die Lebensdauer der Wärmedämmschicht bestimmen, durchgeführt und die Kinetik des Schädigungsverlaufs bestimmt. Der untersuchte Werkstoffverbund besteht aus einem hochwarmfesten Grundwerkstoff aus CMSX-4, der mit einer Haftvermittlerschicht aus einer NiCoCrAlY-Legierung (Bond-Coat) versehen ist. Auf diesen Bond-Coat wird die eigentliche Wärmedämmschicht mittels atmosphärischem Plasmagespritzte (APS) aufgebracht und besteht aus teilstabilisiertem Zirkondioxid (ZrO2-7-8wt.%Y2O3). Zur Untersuchung der genannten Eigenschaften wurden sechs unterschiedliche Typen von Experimente durchgeführt: (i) isotherme Oxidation, (ii) thermische Zyklierung, (iii) zyklische Oxidation, (iv) Zyklische Oxidation mit Temperaturgradient, (v)Thermomechanische Ermüdung, (vi) Thermomechanische Ermüdung mit Haltezeit bei hohen Temperaturen. Diese sechs Belastungstypen resultieren aus Kombinationen der vier grundsätzlichen Belastungsarten: (i) isotherme Auslagerung, (ii) thermische Zyklierung, (iii) Zyklieren der mechanischen Last und (iv) Auslagerung im Temperaturgradienten. Das Versagen der Wärmedämmschichten resultiert aus Rissbildung in der Wärmedämmschicht, in der TGO oder am Interface zwischen Wärmedämmschicht un TGO. Jede der unterschiedlichen Belastungen beeinflusst die Standzeit oder die Anzahl der möglichen Belastungszyklen bis zum Versagen und führt zu einem speziellen Schädigungstypen, die sich durch Ort und Art des Rissverlaufs unterscheiden lassen. Zur Beschreibung des Schädigungsverlaufs wir in der vorliegenden Arbeit eine Darstellungsmöglichkeit entwickelt, die im folgenden als Schädigungs-Mapping bezeichnet wird. Zusätlich wurden Verformungsmechanismen und die zugehörige Änderung der Mikrostruktur von keramischen Dämmschichten untersucht. Dazu wurden freistehende Wärmedämmschichten, die mittels Plasmagespritzten (APS) worden sind, verwendet. Die Untersuchungen zeigen, dass die aus den Druckbelastungen resultierenden Spannungsrelaxationen bei APS-Wärmedämmschichten zu hohen Kriechraten führen. Entsprechende Mikrostrukturuntersuchungen zeigen, dass die makroskopischen Kriechverformungen sowohl Rissbildung als auch Volumenverformungen einschließen.

Thermal barrier coatings (TBCs) are applied for the thermal protection of hot section components of gas turbines to improve their life-time or to raise the power and thermal efficiency of the gas turbine by increasing the turbine inlet temperature. TBCs limit the lifetime of the coated component either by spallation or by affecting the surface properties of the component and therefore the fatigue resistance. The respective failure is influenced by a series of degradation parameters and processes such as bond coat oxidation, sintering of the ceramic coating, beta-depletion in the bond coat, roughness of the metal/ceramic interface, mismatch of thermal expansion of the coatings and resulting stresses, creep and stress relaxation processes and so forth. These parameters promote the particular damage and failure modes differently and therefore, changes in the complex load scenario during service affect the failure mode and the lifetime of coated components. The present work thus focuses on the correlation between the load scenario or type of loads and the resulting damage, failure modes and lifetime. Moreover, the kinetics of damage evolution and the major mechanisms and parameters, which control the durability of TBCs were investigated. A TBC system investigated consisted of air plasma-sprayed partially stabilized zirconia (ZrO2-7-8wt.%Y2O3) with a NiCoCrAlY bond coat onto a CMSX-4 substrate and was subjected to six types of tests: (i) isothermal furnace tests, (ii) thermal cycling, (iii) cyclic oxidation, (iv) cyclic oxidation with temperature gradient, (v) thermomechanical fatigue, (vi) thermomechanical fatigue with a dwell time at high temperature in order to systematically analyze the influence of the type of the load profile on the damage and failure mode of the TBC composite, as well as on the time and number of cycles to failure. Analysis of the damage and failure modes of thermal barrier coatings was based on the representation of these six test types or load profiles as a combination of four basic load components such as isothermal exposure, thermal cycling, mechanical cycling and temperature gradient. The activation of each of these load components was found to have a strong influence on the time and number of cycles to failure and the damage and failure modes, which were distinguished by the particular crack paths on which spallation of the coating had occurred and which were more or less activated by the respective load components. The corresponding damage mapping has been developed and is presented in this thesis. The deformation mechanisms and corresponding microstructural changes of the ceramic top coat were additionally investigated on free-standing plasma-sprayed TBCs. Compressive deformation experiments revealed high creep rates and therefore high stress relaxation rates for APS-TBCs. Respective microstructural investigations displayed that macroscopic creep deformation comprises crack related as well as bulk related deformation.

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