Optimierung von APS-ZrO 2-Wärmedämmschichten durch Variation der Kriechfestigkeit und der Grenzflächenrauhigkeit

Schweda, Mario Erhardt; Beck, Tilmann

doi:3536

Optimierung von APS-ZrO 2-Wärmedämmschichten durch Variation der Kriechfestigkeit und der Grenzflächenrauhigkeit = Optimization of APS-ZrO2-thermal-barrier-coatings by variation of creep strength and interface roughness

Schweda, Mario Erhardt

2011

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Mario Erhardt Schweda

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2011

Umfang168 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2010

Zsfassung in dt. u. engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Beck, Tilmann (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2010-07-29

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-35365
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/63881/files/3536.pdf

Einrichtungen

Lehr- und Forschungsgebiet für Hochtemperatur-Werkstoffmechanik / Allgemeine Mechanik (FZ Jülich) (418420)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Kriechen (Genormte SW) ; Rauigkeit (Genormte SW) ; Rissausbreitung (Genormte SW) ; Lebensdauer (Genormte SW) ; Gasturbine (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Wärmedämmschichten (frei) ; Risswachstum (frei) ; thermal barrier coatings (frei) ; creep (frei) ; roughness (frei) ; crack growth (frei) ; lifetime (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Gasturbinen werden bei Brennkammertemperaturen bis 1400°C betrieben. Deswegen werden die Schaufeln und Brennkammerauskleidung, die für höchste Belastungen aus Ni-Superlegierungen bestehen, mit einer Wärmedämmschicht (WDS) aus Zirkonoxid sowie einer darunterliegenden Oxidationsschutzschicht aus MCrAlY-Legierungen (M=Ni, Co) beschichtet. Bei hoher Temperatur oxidiert die MCrAlY-Schicht und es bildet sich eine Al2O3-Schicht (thermisch gewachsenes Oxid, TGO) zwischen MCrAlY-Schicht und WDS, wodurch die Oxidation des Basiswerkstoffs behindert wird. Bei plasmagespritzten WDS, dient die MCrAlY-Schicht gleichzeitig als Haftvermittlerschicht (HVS) für die WDS und wird deswegen durch Sandstrahlen vor dem Beschichten mit WDS aufgerauht. Durch das Wachstum der Al2O3-Schicht sowie das An- und Abfahren der Gasturbine, entstehen Spannungen in der WDS, die zur Lateralrissbildung im Bereich der WDS-HVS-Grenzfläche und schließlich zur Delamination der WDS führen. Dadurch können andere Teile der Turbine beschädigt werden was hohe Kosten verursacht. Daher ist das Ziel, das Risswachstum möglichst stark zu verzögern bzw. die Lebensdauer der WDS zu maximieren. Dazu müssen die Materialeigenschaften der Schichtkomponenten optimiert werden. In dieser Arbeit wurden der Einfluß der Kriechfestigkeit von HVS und TGO und der Einfluß der WDS-HVS-Grenzflächenrauhigkeit auf die Lebensdauer und Schädigungsentwicklung von plasmagespritzten ZrO2-WDS untersucht. Zur Bestimmung der Lebensdauer wurden zylinderförmige Proben mit plasmagespritzten ZrO2-WDS angefertigt und mit einer Minimal- und Maximaltemperatur von 60°C und 1050°C sowie einer Haltezeit bei Maximaltemperatur von 2 h thermisch zykliert. Um die Interdiffusion und thermische Fehlpassung zwischen HVS und Ni-Superlegierung auszuschließen, wurde ein Modellsystem verwendet, bei dem die Ni-Superlegierung weggelassen wurde und der Substratwerkstoff komplett aus einer der HVS ähnlichen FeCrAlY-Legierung besteht. Das Modellsystem wurde vom Projektpartner TU Braunschweig (IfW) mit der FE-Methode simuliert. Dabei wurde die WDS-HVS-Grenzflächenrauhigkeit durch ein 2-dimensionales sinusförmiges periodisches Rauhigkeitsprofil abstrahiert. Um die Simulationsergebnisse mit realen WDS-Systemen vergleichen zu können, wurde auf den FeCrAlY-Substratwerkstoffproben ein 2-dimensionales periodisches Rauhigkeitsprofil durch Hochgeschwindigkeitsdrehen aufgebracht. Zusätzlich wurden 3-dimensionale stochastische Rauhigkeitsprofile durch Sandstrahlen erzeugt. Zur Variation der Kriechfestigkeit des Substrats wurden eine konventionelle (kriechweiche) und eine oxid-dispersions-verfestigte (kriechfeste) FeCrAlY-Legierung verwendet. Die Kriechfestigkeit der Al2O3-Schicht wurde variiert, indem eine feinstkristalline (kriechweiche) Al2O3-Schicht auf den FeCrAlY-Substraten mittels PVD und eine grobkristalline (kriechfeste) Al2O3-Schicht durch Voroxidation der FeCrAlY-Substrate bei 1050°C in Luft erzeugt wurden. Die Rauhigkeitstiefe wurde durch Wahl vier verschiedener Vorschübe beim periodischen Rauhigkeitsprofil bzw. drei verschiedener Korngrößen des Sandstrahlmittels im Fall des stochastischen Rauhigkeitsprofils variiert. Zur Untersuchung der Schädigungsentwicklung wurden in regelmäßigen Zyklusintervallen der Thermozyklierung Infrarot-Impuls-Thermografie-Aufnahmen der Proben angefertigt. Die Thermografiemethode wurde derart optimiert, daß Delaminationen der WDS mit einer Detektionsgrenze von 1-2 µm für die Delaminationsspaltweite und 0,7-0,8 mm für deren Durchmesser festgestellt werden können. Die Ergebnisse zeigen, daß die Schädigungsentwicklung und Lebensdauer deutlich von der Kriechfestigkeit des FeCrAlY-Substrats, der WDS-HVS-Grenzflächenrauhigkeitstiefe und der Art des Rauhigkeitsprofils beeinflusst werden. Aufbauend auf den Ergebnissen der Untersuchung der Schädigungsentwicklung mittels Thermografie, wurde ein Modell entwickelt, welches die Zunahme der Gesamt-Delaminationsfläche auf einer Probe gut beschreibt. Beim Vergleich der FEM-Simulation des vorliegenden WDS-Modell-Systems mit dem Schädigungsbild der realen WDS-Proben mit periodischen Rauhigkeitsprofilen zeigen sich Übereinstimmungen aber auch Widersprüche.

Gas turbines operate at combustion chamber temperatures up to 1400°C. Therefore the blades and the combustion chamber lining, which consist of Ni-superalloys for highest loads, are coated with a thermal barrier coating (TBC) of zirconium oxide and an underlying oxidation protection coating of MCrAlY-alloys (M=Ni, Co). At high temperature the MCrAlY-coating oxidizes and an Al2O3-scale (thermally grown oxide, TGO) forms between MCrAlY-coating and TBC, what constrains the oxidation of the base material. At plasma sprayed TBCs, the MCrAlY-coating provides a bond coat (BC) for the TBC at the same time and therefore is roughened by sandblasting before the deposition of the TBC. By the growth of the Al2O3-scale and the start up and run down of the gas turbine, stresses arise in the TBC, which lead to lateral crack formation in the field of the TBC-BC-interface and finally to the spallation of the TBC. Thereby other parts of the turbine can be damaged, what causes high costs. Therefrom the aim is to delay the crack growth as strong as possible or rather to maximize the lifetime of the TBC. For this purpose the material properties of the coating components have to be optimized. In the present work, the influence of creep strength of BC and TGO and the influence of TBC-BC-interface-roughness on the lifetime and damage evolution of plasma sprayed ZrO2-TBCs are investigated. To determine the lifetime, cylindrical specimens with plasma sprayed ZrO2-TBC were produced and thermally cycled with a minimum and maximum temperature of 60°C and 1050°C and a dwell time at maximal temperature of 2h. To exclude the interdiffusion and thermal mismatch between BC and Ni-superalloy, a model system was used: The Ni-superalloy was left and the substrate material consists completely of a BC-like FeCrAlY-alloy. The model system was simulated by the project partner TU Braunschweig with the FE-method. The TBC-BC-interface-roughness was abstracted by a 2-dimensional sine-shaped periodic roughness profile. To be able to compare the simulation results with real TBC-systems, a 2-dimensional periodic roughness profile was produced by high speed drawing. Additionally a 3-dimensional stochastic roughness profile was produced by sandblasting. To vary the creep strength of the substrate a conventional (creep weak) and an oxide-dispersion-strengthened (creep strong) FeCrAlY-alloy was used. The creep strength of the Al2O3-scale was varied by depositing a fine crystalline (creep weak) Al2O3-scale on the FeCrAlY-substrates by PVD and a coarse crystalline (creep strong) Al2O3-scale by pre-oxidation of the FeCrAlY-substrates at 1050°C in air. The roughness depth was varied by drawing with different feed rates in the case of the periodic roughness profile and sandblasting with different grain sizes in the case of the stochastic profile. To investigate the damage evolution, infra-red-impulse-thermography-pictures of the specimens were made in regular cycle intervals. The thermography method was optimized in such a way, that delaminations of the TBC are detectable with a detection limit of 1-2 µm lift-off and 0.7-0.8 mm wide. The results show, that the damage evolution and lifetime are significantly influenced by the creep strength of the FeCrAlY-substrate, the TBC-BC-interface roughness depth and the profile type. Based on the results of the investigation of the damage evolution by thermography, a model was created, which gives a good description of the increase of total delamination area on a specimen in principle. The comparison of the FEM-simulation of the present TBC-model-system with the failure mode of the real TBC-specimens with periodic roughness profile showed agreements but also disagreements.

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