A small-angle scattering analysis of the influence of manufacture and thermal induced morphological changes on the thermal conductivity of EB-PVD PYSZ thermal barrier coatings

Flores Renteria, Arturo; Kaysser, Wolfgang A.

doi:HT015014877

A small-angle scattering analysis of the influence of manufacture and thermal induced morphological changes on the thermal conductivity of EB-PVD PYSZ thermal barrier coatings = Kleinwinkelstreuungsanalyse des Einflusses der herstellungs- und wärmebehandlungsinduzierten Änderungen der Morphologie auf die Wärmeleitfähigkeit von EB-PVD-PYSZ-Wärmedämmschichten

Flores Renteria, Arturo (Author)

2007

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Arturo Flores Renteria

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2007

UmfangIV, 142 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2007

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Kaysser, Wolfgang A. (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2007-01-11

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-17900
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/61672/files/Flores_Renteria_Arturo.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Georessourcen und Materialtechnik (500000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurwissenschaften (frei) ; Wärmeleitfähigkeit (frei) ; Wärmedämmschichten (frei) ; Elektronenstrahlverdampfugsprozess (frei) ; Kleinwinkelstreuung (frei) ; Thermal conductivity (frei) ; thermal barrier coatings (frei) ; Electron-beam physical vapor deposition (frei) ; Small-angle scattering (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
The deposition of Electron Beam – Physical Vapor Deposition Thermal Barrier Coatings (EB-PVD TBCs) on metallic turbine blades of aero engines is a viable additional method to improve the internal cooling effect on these components. Thus, an increase of the efficiency of aero engines can be achieved by rising the inlet temperature in the turbine. This work exhibits the influence of process parameters of the EB-PVD process, i.e. rotation speed and temperature of the substrate, on the columnar microstructure, and the geometry and distribution of the porosity in the deposited coatings. These process parameters influence the kinetic of the condensation process during the vapor deposition. The produced morphological changes consequently induce alterations in the thermal conductivity values of the manufactured coatings. A detailed quantitative analysis of the anisotropic configuration of the porosity contained in these coatings was achieved by the combination of sophisticated measuring techniques such as Ultrasmall-angle x-ray scattering (USAXS) and small-angle neutron scattering (SANS), and SEM micrographs analysis. The results indicate that the pores exhibit a strong anisotropic configuration at the cross-sections oriented in the directions perpendicular and parallel to the axis of substrate rotation. A theoretical approximation based on Maxwell’s theory was used to determine the thermal conductivity of the analyzed EB-PVD coatings based on the USAXS data. This approximation allows the analysis of the influence of geometrical and spatial characteristics of the pores on the thermal conductivity. The calculated values correspond well with the experimental values. This approximation indicates that the intra-columnar pores and the deepest section of the voids between feather-arms are the principal contributors to the thermal isolating capability of the EB-PVD TBCs. Inter-columnar gaps influence only slightly the thermal conductivity. Furthermore, it was demonstrated that the activation of thermal induced processes during ageing, like sintering, induces additional morphological and thermal conductivity changes to the manufactured EB-PVD coatings. The reduction of the surface area of the pores produced by the changes in the geometry during ageing was analyzed via SANS method. The results indicate that the thermal activated mass diffusion mechanism responsible for such changes is surface diffusion, which is activated at temperatures ≥ 900°C. The achieved low aspect ratio geometry of the intra-columnar pores and voids between feather-arms after ageing exhibit a noticeably lower effect on the reduction of the thermal conductivity of the EB-PVD coatings.

Die Abscheidung von elektronenstrahlaufgedampften Wärmedämmschichten (EB-PVD WDS) auf metallischen Turbinenschaufeln von Triebwerken führt zu einer Verbesserung der Schaufelinnenkühlung, d.h. die Eintrittstemperatur der Gase in der Turbine kann erhöht werden und somit die Effizienz des Triebwerks gesteigert werden. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Einfluss der Prozessparameter Umdrehungsgeschwindigkeit sowie Substrattemperatur des EB-PVD-Verfahrens auf die kolumnare Mikrostruktur und auf die Porengeometrie und -verteilung in der Schicht. Die oben genannten Prozessparameter steuern den kinetischen Massenkondensierungsprozess, der den Aufbau der Schicht bestimmt. Es wurde im Rahmen der Untersuchungen festgestellt, dass Unterschiede in den Werten der Wärmeleitfähigkeit auftreten. Eine detaillierte quantitative Analyse der Porositätsverteilung in der WDS wurde mittels moderner Messmethoden wie Ultrakleinwinkelröntgenstreuung (USAXS), Kleinwinkel-neutronenstreuung (SANS), und Rasterelektronenmikroskopie (SEM) durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten eine stark ausgeprägte anisotrope Konfiguration der Poren im Querschliff parallel und senkrecht zur Rotationsachse des Substratträgers. Aus den USAXS Informationen konnte mittels eines auf Maxwells Theorie basierenden approximativen Ansatzes die Wärmeleitfähigkeit berechnet werden. Dies erlaubte die Analyse des Einflusses der räumlichen Anordnung sowie der Geometrie der Poren. Die theoretisch und experimentell ermittelten Werte der Wärmeleitfähigkeit zeigten eine gute Übereinstimmung. Weiterhin wurde festgestellt, dass die intrakolumnaren Poren und der innere Anteil der Spalte zwischen den Sekundärkolumnen (Federarme) einen stärkeren Einfluss auf die Wärmeleitfähigkeit von EB-PVD WDS haben als die interkolumnaren Spalte. Weitere Untersuchungen beschäftigten sich mit dem Einfluss thermisch aktivierter Prozesse, speziell Sintern, auf die Morphologie und somit auch auf die Wärmeleitfähigkeit von elektronenstrahlaufgedampften Wärmedämmschichten. Die durch die SANS-Methode beobachtete Änderung der Porengeometrie während der thermischen Auslagerung wurde durch Oberflächendiffusion als dominierender Diffusions-mechanismus verursacht. Die Aktivierungstemperatur für diesen Mechanismus betrug ca. 900°C in den untersuchten Schichten. Nach dem Hochtemperaturalterungsprozess bildeten sich aus den zunächst länglichen intrakolumnaren Strukturen und dem inneren Anteil der Spalte zwischen den Sekundärkolumnen nahezu kugelförmige Poren, die eine weitaus geringere Oberfläche aufwiesen. Durch diese Geometrieänderung wird die Wärmeleitfähigkeit der EB-PVD WDS größer, was Resultate aus Experimenten zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit bestätigten.

OpenAccess:
PDF
(additional files)