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Interfacial Fracture Toughness and Adhesion of Brittle Coatings on Ductile Substrates

Mircea, Iulian :
Interfacial Fracture Toughness and Adhesion of Brittle Coatings on Ductile Substrates.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2007)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Interfacial Fracture Toughness and Adhesion of Brittle Coatings on Ductile Substrates
Language: English
Abstract:

Ceramic Thermal Barrier Coatings are widely used in different industrial applications e.g. vanes for gas blade turbines to protect hot sections in service at high temperatures, e.g. the gas inlet temperature is of 1400°C-1600°C. The in service failure of TBC coatings occurs often by delamination at the interface between metal and coating and leads further to local spallation of the TBC. The thermal and mechanical loading in service changes the microstructure and properties of the materials of the TBC system. This may reduce the resistance against initiation and propagation of delamination cracks (interfacial fracture toughness). Despite the diversity of test methods, there are still practical problems in using one or the other test method for the case of the TBC systems and in understanding the results of the tests. The aim of the present work was to use different fracture mechanics tests to evaluate the change in adherence after heat treatment of industrially used EB-PVD TBC systems and to contribute to a better understanding of the damage mechanisms in the TBC systems. The core test method was the sharp indentation with the following variations: Vickers indentation at the interface ceramic/metal and Rockwell indentation tests perpendicular to the TBC. Theoretical models for calculating interfacial fracture toughness need material properties. Therefore, they have been also experimentally determined. Young’s modulus (E) of the component materials of the TBC system has been determined by means of the Impulse Excitation Technique method. For the case of the TBC material, a general trend of increase of the Young’s modulus after heat treatment has been obtained. The measured value of the Young’s modulus of the substrate material IN625 did not change after heat treatment. The measured value of E of the BC material after heat treatment did not change significantly. Interfacial Vickers indentation tests gave reasonable results. After 24h exposure at 1000°C, a decrease of the apparent interfacial fracture toughness for all TBC thicknesses has been obtained. After 100h at 1000°C, a small increase of the interfacial fracture toughness in comparison with the values after 24h heat treatment has been observed, but the values are still smaller than the values in the as coated condition. Rockwell indentation tests on specimens with anisotropic substrates resulted in butterfly shaped delamination cracks. Measuring the crack lengths in cross section by SEM, for specimens with anisotropic substrates, it has been found that the crack length increases with the increase of the load. By means of SEM investigations, it has been observed that for a TBC system having a ceramic top coat with a thickness of about 280µm, the substrate was slightly deformed, when the TBC was substantial damaged. That means that the assumption of Vasinonta and Beuth [7], for the case of TBC system with a thickness of the top coat of 100µm, that the elasto-plastic deformations of the substrate and BC are the driving forces of the delamination is not correct for thicker TBC and the interaction TBC/indenter cannot be neglected. Instrumented Rockwell indentation test on the as coated TBC with anisotropic substrate, resulted in a butterfly shaped delamination crack of about 4mm span width that has been measured, compared to a span width of the delamination crack of about 2mm in the heat treated specimen, 500h at 1000°C in air. It implies that interfacial fracture toughness of the TBC has increased after heat treatment. A decrease of the crack length after heat treatment has been also observed after instrumented Rockwell indentation test on TBC specimens with isotropic substrate. These results are in contradiction to results obtained in [7] and [78], for EB-PVD TBC systems with a thickness of 100µm. Shorter cracks with the increase of the duration of the heat treatment implies consequently that the resistance of the TBC against crack propagation has increased.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Keramische Wärmedämmschichten sind in den unterschiedlichen industriellen Anwendungen z.B. Turbinenschaufeln am meisten benutzt, damit diese Heißteile im Service an den Hochtemperaturen schützen, z.B. ist die Gaseingang Temperatur von 1400°C-1600°C. Im Service-Versagen der TBC Schichten tritt häufig durch Abplatzen an der Stelle zwischen Metall und Schicht auf und führt weiter zu lokales Abplatzen des TBC. Die thermische und mechanische Belastung im Service ändert die Mikrostruktur und die Eigenschaften der Materialien des TBC Systems. Dieses kann den Widerstand gegen Einführung und Ausbreitung der Delaminationsrisse (Grenzflächebruchwiderstand) verringern. Trotz der Verschiedenartigkeit der Testmethoden, gibt es noch praktische Probleme, wenn man die eine oder andere Testmethode für den Fall der TBC Systeme verwendet und wenn man die Resultate der Tests verstehen möchte. Das Ziel dieser Arbeit war, unterschiedliche Bruchmechanikertests zu benutzen, um die Änderung in der Adhäsion nach Wärmebehandlung der industrielle angewendete EB-PVD TBC Systeme auszuwerten und zu einem besseren Verständnis des Versagens der TBC Systemen beizutragen. Die Kerntestmethode war der Eindruckversuch mit den folgenden Variationen: der Vickers Eindruckversuch an der keramischen/Metall Grenzfläche und der Rockwell Eindruckversuch senkrecht zur TBC. Theoretische Modelle für die Berechnung des Grenzflächebruchwiderstands benötigen Materialeigenschaften. Folglich sind sie auch experimentell bestimmt worden. Der Elastizitätsmodul (E) der Materialien des TBC Systems ist mittels der Impulse Excitation Technique Methode bestimmt worden. Für den Fall vom TBC Material, eine allgemeine Tendenz der Zunahme des Elastizitätsmoduls, nach Wärmebehandlung erhalten worden ist. Der gemessene Wert des Elastizitätsmoduls des Substratmaterials IN625 änderte nicht nach Wärmebehandlung. Der gemessene Wert von E des BC Materials nach Wärmebehandlung änderte auch nicht. Vickers Eindrucktests an der Grenzfläche gaben sinnvolle Ergebnisse. Nach Wärmebehandlung 24h an 1000°C, ist eine Senkung des Grenzflächebruchwi-derstands für alle TBC Schichtdicken erreicht worden. Nach 100h an 1000°C, eine kleine Zunahme der Grenzflächebruchwiderstand im Vergleich mit dem Werten nach Wärmebehandlung 24h beobachtet worden ist, aber die Werte noch kleiner als die Werte in as coated Zustand ist. Rockwell Eindrucktests auf Proben mit anisotropen Substraten ergab Schmetterlingsförmige Delaminationsrisse. Die Messung der Risslänge im Querschnitt durch SEM, für Proben mit anisotropen Substraten, hat es gezeigt, dass die Risslänge mit der Zunahme der Last sich erhöht. Mittels der SEM Untersuchungen ist es beobachtet worden, dass für ein TBC System, das eine keramische Schicht mit einer Dicke von ungefähr 280µm hat, das Substrat leicht verformt wurde, wenn das TBC wesentlich beschädigt war. Das bedeutet, dass die Annahme von Vasinonta und von Beuth [7], für den Fall vom TBC System mit einer Dicke von 100µm, dass die elastoplastischen Deformationen des Substrates und BC die Antriebskräfte der Delamination ist, nicht korrekt für dickere TBC und die Interaktion TBC/Indenter nicht vernachlässigt werden kann. Instrumentierter Rockwell Eindrucktest auf as coated TBC mit anisotropem Substrat, ergab Schmetterlingsförmige Delaminationsrisse, die ungefähr 4mm Spannbreite gemessen worden ist, verglichen mit einer Spannbreite von ungefähr 2mm nach Wärmebehandlung 500h an 1000°C in Luft. Es bedeutet, dass der Grenzflächebruchwiderstand des TBC sich nach Wärmebehandlung erhöht hat. Eine Abnahme der Risslänge, nach Wärmebehandlung nach instrumentierter Rockwell Endrucktest auf TBC Proben mit isotropem Substrat beobachtet worden ist. Diese Resultate sind im Widerspruch zu den Resultaten von [7] und [78], für EB-PVD TBC Systeme mit einer Dicke von 100µm. Kürzere Risslänge mit der Zunahme der Dauer der Wärmebehandlung deutet infolgedessen an, dass der Grenzflächebruchwiderstand des TBC sich erhöht hat.German
Uncontrolled Keywords: thermal barrier coatings, adhesion, interfacial fracture toughness, fracture mechanics, multilayers, ceramics, mechanical properties
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
thermal barrier coatings, adhesion, interfacial fracture toughness, fracture mechanics, multilayers, ceramics, mechanical propertiesEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
Divisions: Fachbereich Material- und Geowissenschaften
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:22
Last Modified: 07 Dec 2012 11:53
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000835
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-8355
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Müller, PD Dr. Clemens
Advisors: Rödel, Prof. Dr. Jürgen
Refereed: 5 June 2007
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/835
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