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Institut für Energie- und Klimaforschung

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Materialentwicklung

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Der weltweit als Standard etablierte Werkstoff für WDS-Anwendungen ist das mit 7-8 Gew.-% Y2O3 teilstabilisierte Zirconiumdioxid (YSZ). YSZ verfügt für diese Anwendung über eine Reihe von herausragenden Eigenschaften wie niedrige Wärmeleitfähigkeit, hohen Ausdehnungskoeffizienten zur Reduzierung der thermischen Spannungen im Verbund mit dem metallischen Substrat und gute Bruchzähigkeit.

Neben der Entwicklung extrem leistungsfähiger Schichten aus YSZ liegt ein Schwerpunkt der Arbeiten am IEK-1 des Forschungszentrums Jülich in der Entwicklung neuer Materialien für Wärmedämmschichten. Dies ist notwendig aufgrund der limitierten Temperaturstabilität des YSZ. Ein Langzeiteinsatz ist auf Temperaturen von etwa 1200°C begrenzt, da bei höheren Temperaturen Phasenumwandlungen und eine verstärkte Verdichtung der Schichten eintreten. Von besonderem Interesse sind dabei Pyrochlore wie das Gd2Zr2O7, komplexe Perowskite oder (Hexa-)Aluminate.

Aufgrund der relativ niedrigen Bruch-Zähigkeit der neuen WDS-Materialien setzt man meist die in Jülich entwickelten Doppellagensysteme ein, bei denen auf dem Bondcoat erst eine Schicht aus dem zähen YSZ und obenauf die neue Keramik abgeschieden wird, siehe Abbildung A3.

Mikrostruktur: Dopplelagensystem - unten YSZ - oben PyrochlorAbbildung A3: Mikrostruktur eines Doppellagensystems aus YSZ (unten) und Pyrochlor (oben)

Besonders die aus Pyrochloren aufgebauten Schichten zeigen ein exzellentes Verhalten bei zyklischer thermischer Belastung z.B. in einem Gasbrenner-Teststand.

Ein zunehmend wichtiger Aspekt bei weiter erhöhten Temperaturen ist die Beständigkeit der porösen Schichten gegen das Eindringen von Calcium-Magnesium-Aluminium-Silikaten, die die als Feststoffe in der Luft enthalten sind bzw. aus Abrieb im Heißgaspfad entstehen können und Beläge auf den Turbinenkomponenten bilden, welche die Wärmedämmschichten als Schmelze penetrieren und beim Erstarren insbesondere durch Herabsetzung der Dehnungstoleranz schädigen. Neben dem Gd-haltigen Pyrochlor zeigen hier auch die Aluminate eine gegenüber YSZ verbesserte Beständigkeit.

Um schnelle Entwicklungszyklen gewährleisten zu können, werden die Funktionalität und Lebensdauer der neuartigen Wärmedämmschichtsysteme im IEK-1 sowohl an Normproben als auch an Bauteilen mit komplexer Geometrie bei hohen Temperaturen in realitätsnahen Zykliertests geprüft.

Tests von WärmedämmschichtenAbbildung A4: Tests von Wärmedämmschichten auf realen Turbinenkomponenten unter realitätsnahen Bedingungen

Tests von WärmedämmschichtenAbbildung A5: Tests von Wärmedämmschichten unter realitätsnahen Bedingungen mit Beaufschlagung durch CMAS



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