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Institut für Energie- und Klimaforschung

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Keramische Wärmedämmschichtsysteme für Gasturbinenschaufeln

Thermografische Analyse der Delamination eines TBC-SystemsThermografische Analyse der Delamination eines TBC-Systems

Die maximale Einsatztemperatur modernster Ni-Basis-Superlegierungen für Turbinenschaufeln liegt derzeit bei ungefähr 1000°C. Eine wesentliche Legierungsoptimierung über diesen in jahrzehntelanger Entwicklungsarbeit erreichten Stand hinaus ist nicht zu erwarten. Um durch Steigerung der Turbineneintrittstemperatur eine weitere Wirkungsgrad- erhöhung von Flugtriebwerken und stationären Gasturbinen zu erreichen, werden daher innengekühlte Schaufeln mit Wärmedämmschichtsystemen aus Y2O3- stabilisiertem ZrO2 eingesetzt, die Oberflächentemperaturen über 1200°C erlauben. In Verbindung mit einer Filmkühlung der Schaufeloberfläche sind derzeit Turbineneintrittstemperaturen über 1400°C erreichbar. Derzeit im Entwicklungsstadium befindliche Schichten auf Lanthanzirkonatbasis lassen eine Steigerung der Oberflächen- und Turbineneintrittstemperatur um weitere 200°C erwarten.

Um das große Potential keramischer Schutzschichten für die Wirkungsgradsteigerung voll auszunutzen und weiter zu vergrößern, ist allerdings eine absolut zuverlässige Schichthaftung unter allen denkbaren Betriebszuständen erforderlich. Diese wird neben der thermomechanischen Beanspruchung der Schaufel durch An- und Abfahrzyklen sowie Fliehkräfte maßgeblich durch Degradationsprozesse im Schichtsystem wie innere Oxidation und Sinterprozesse sowie Interdiffusion mit dem Substratwerkstoff bestimmt.

Die Verformungs- und Versagensmechanismen solcher plasmagespritzten und elektronenstrahlaufgedampften Schichtsysteme bei isothermer Auslagerung, thermozyklischer sowie thermomechanischer Beanspruchung ohne und mit Temperaturgradienten im Schichtsystem werden in der Abteilung "Werkstoffmechanik" im Rahmen mehrerer BMWI- und DFG-geförderter Projekte detailliert untersucht. Gleichzeitig werden lokale Schichteigenschaften mit Hilfe von Indentationstests bei Temperaturen bis derzeit 500°C und das Verformungsverhalten freistehender Schichten unter quasistatischer Beanspruchung bei Temperaturen bis 1300°C ermittelt. Diese Arbeiten sind Grundlage für die Entwicklung phänomenologischer und auf FEM-Rechnungen basierender Modelle für die Lebensdauervorhersage von Wärmedämmschichtsystemen.

FEM-Simulation der Spannungen im SchichtsystemFEM-Simulation der Spannungen im Schichtsystem

Die Abbildung zeigt hierzu beispielhaft die unter Berücksichtigung des elastisch-viskoplastischen Verhaltens aller Schichtkomponenten, der Bildung einer Oxidschicht am Interface zwischen Haftvermittler- und Wärmedämmschicht sowie der durch Sinterprozesse verursachten Versteifung der Wärmedämmschicht berechneten Spannungen nach thermozyklischer Belastung. Wie ein Vergleich mit der rasterelektronenmikroskopischen Aufnahme des realen Rissverlaufs zeigt, korrelieren die vorhergesagten Spannungen gut mit dem im Experiment bestimmten Risspfad. Diese im Transferbereich 63 der DFG geleisteten Arbeiten gehen unmittelbar in ein globales Lebensdauervorhersagemodell auf Grundlage des Oxidschichtwachstums und bruch- mechanischer Berechnungen der Rissausbreitung ein, das in einem BMWI-geförderten Verbundprojekt validiert wird.



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