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Ermittlung und Vorhersage lebensdauerrelevanter, mechanischer Eigenschaften betriebsähnlich belasteter, plasmagespritzter Wärmedämmschichten

Wittig, Peter :
Ermittlung und Vorhersage lebensdauerrelevanter, mechanischer Eigenschaften betriebsähnlich belasteter, plasmagespritzter Wärmedämmschichten.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2017)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Ermittlung und Vorhersage lebensdauerrelevanter, mechanischer Eigenschaften betriebsähnlich belasteter, plasmagespritzter Wärmedämmschichten
Language: German
Abstract:

Eine weitere Erhöhung der Betriebstemperatur stationärer Gasturbinen bei gleichzeitiger Kühllufteinsparung wird derzeit noch von der Lebensdauer der zum Schutze ihrer metallischen Komponenten applizierten keramischen Wärmedämmschichten (WDS) begrenzt. Um die Ursachen ihres Versagens insbesondere bei längerem stationären Betrieb besser verstehen und somit den drohenden Funktionsverlust verlässlich prognostizieren zu können, ist die genaue Kenntnis des thermomechanischen Materialverhaltens unabdingbar.

In dieser Arbeit sollten Messmethoden zur bidirektionalen mechanischen Charakterisierung plasmagespritzter WDS neu- und weiterentwickelt sowie sorgfältig validiert werden. Ziel war es, damit die Änderung von Steifigkeit und Risswiderstand Yttrium-teilstabilisierter Zirkonoxidschichten (YSZ) in Abhängigkeit der thermomechanischen Belastungshistorie zu erfassen. Ein Teil der Untersuchungen fokussierte auf den bisher wenig erforschten Einfluss des gezwungenen Sinterzustandes, wie er auch im Gasturbinenbetrieb vorliegt.

Folgende Testverfahren wurden speziell für 0,4–1,2 mm dicke Schichtproben angepasst: 3-Punkt-Verbund-Biegung (3PCB) und Doppel-Kragbalken-Test (TDCB) bezüglich der horizontalen sowie Miniaturisierter Druckversuch (MCT) und SENUD-Test (einseitig gekerbter Streifen mit uniformen Randverschiebungen) für die vertikale Orientierung. Die Genauigkeit der Verfahren wurde anhand numerischer Fehleranalysen sowie experimenteller Validierungsmessungen an Modellmaterialien mit aus der Literatur und Standardtests bekannten Eigenschaftsniveaus bewertet. Die Methoden lieferten valide und reproduzierbare Messwerte mit Abweichungen bis maximal +/-15 % von den Referenzdaten.

Abgelöste WDS, die nach einer isothermen Wärmebehandlung (1000–1300°C) getestet wurden, wiesen Eigenschaftswerte etwa 0–30 % oberhalb verfügbarer Literaturreferenzdaten auf. Durch ein gezwungenes Sintern auf keramischen Substraten – verbunden mit aufgeprägten planaren Zugdehnungen bis 0,4 % – war eine signifikante Hemmung der thermisch aktivierten Eigenschaftsänderung zu verzeichnen. Bezogen auf das freistehende Sintern entspricht dieser Effekt – je nach betrachteter Kenngröße – einer Temperaturverminderung um bis zu 155 K bzw. einer maximal 12 % höheren Arrhenius-Aktivierungsenergie. Mittels Darstellung der Ergebnisse über dem Zeit-Temperatur-Parameter nach Hollomon-Jaffe konnte der Risswiderstand einer für 6600 h in einer Gasturbinenbrennkammer belasteten WDS abgeschätzt werden. Dabei ergab sich eine max. 33-prozentige Abweichung vom experimentell ermittelten Niveau. Aufgrund zahlreicher Vertikalrisse im Materialvolumen erwies sich der Ansatz bezüglich Schichtsteifigkeit jedoch als ungeeignet. Nach längerer Hochtemperatur-Exposition war bei den im Labor vorbelasteten Proben eine Angleichung zwischen horizontalem und vertikalem Risswiderstand erkennbar.

Insgesamt leistet die Arbeit einen Beitrag zu einem besseren Verständnis der im Material ablaufenden Degradationsprozesse, um zukünftig WDS-Systeme realitätsnah zu modellieren und ihre Mindestlebensdauer verlässlich abzuschätzen. Die entwickelten Methoden können zudem als Basis für eine standardisierte Bestimmung der (bruch-)mechanischen Eigenschaften plasmagespritzter Keramikschichten dienen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
A further increase in the operating temperature of industrial gas turbines with a concurrent cooling air saving is currently limited by the service life of the ceramic thermal barrier coatings (TBCs) applied to protect metallic components. In order to understand the causes of their failure, especially during long-term stationary operation, and thus to be able to reliably predict the imminent loss of function, a detailed knowledge of the thermo-mechanical material behaviour is essential. --- In this work, measuring methods for bidirectional mechanical characterization of plasma-sprayed TBCs should be developed, advanced and thoroughly validated. The aim finally sought was to detect the variation in stiffness and fracture resistance of yttria-stabilized zirconia (YSZ) coatings as a function of thermo-mechanical load history. Part of the investigations focused on the previously little-studied influence of the constrained sintering state, as it prevails in gas turbine operation. --- The following testing procedures were customized targeting 0.4–1.2 mm thick coating samples: 3-point composite beam bending (3PCB) and tapered double cantilever beam test (TDCB) regarding horizontal as well as miniaturized compression test (MCT) and SENUD test (single-edge V-notched stripe with uniform edge displacement) for vertical orientation. The accuracy of each method was evaluated by means of numerical error estimations as well as experimental validation measurements using model materials with property levels known from literature or determined by standard tests. The procedures provided valid and reproducible values with deviations up to +/-15 % from the reference data. --- Detached TBCs tested after isothermal heat treatment (1000–1300°C) exhibited property values approximately 0–30 % above available literature reference data. Due to a constrained sintering on ceramic substrates associated with imposed planar tensile strains up to 0.4 %, a significant inhibition of thermally activated property change could be observed. Depending on the particular characteristic considered, the effect corresponds to a temperature level reduced by at most 155 K during free-standing sintering or rather a maximally 12 % increased activation energy. By plotting the results with respect to the time-temperature parameter according to Hollomon-Jaffe, the evolved fracture resistance of a TBC loaded for 6600 h in a gas turbine combustion chamber could be estimated. The outcome differed from the experimentally obtained value level by at most 33 %. Due to the numerous vertical cracks within the material volume, however, the approach proved unsuitable for coating stiffness. Plasma-sprayed samples that have been thermally aged in the laboratory furnace for an extended period showed a convergence between horizontal and vertical fracture resistance. --- Overall, the work contributes to an enhanced understanding of the degradation processes that take place in the material in order to be able to realistically model TBC systems in the future and reliably estimate their minimum service life. The methods developed may also serve as a basis for a standardized determination of the (fracture) mechanical properties of plasma-sprayed ceramic coatings.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Center for Engineering Materials, State Materials Testing Institute Darmstadt (MPA) Chair and Institute for Materials Technology (IfW) > Hochtemperaturwerkstoffe
Date Deposited: 23 Nov 2017 13:28
Last Modified: 23 Nov 2017 13:28
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-69058
Referees: Oechsner, Prof. Dr. Matthias and Schürmann, Prof. Dr. Helmut
Refereed: 1 February 2017
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/6905
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