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Ein mechanismenbasiertes Konzept zur Bewertung der Strukturintegrität keramischer Multilagen-Wärmedämmschichten

Adam, Marcel (2021):
Ein mechanismenbasiertes Konzept zur Bewertung der Strukturintegrität keramischer Multilagen-Wärmedämmschichten. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität Darmstadt,
DOI: 10.26083/tuprints-00020057,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Ein mechanismenbasiertes Konzept zur Bewertung der Strukturintegrität keramischer Multilagen-Wärmedämmschichten
Language: German
Abstract:

Um die Zukunftsfähigkeit von Turbomaschinen als Antriebe für die Luftfahrt und zur flexiblen Bereitstellung elektrischer Energie in kleinen Einheiten und großtechnischen Anlagen zu gewährleisten, werden Konzepte für hocheffiziente und ressourcenschonende Systeme benötigt. Hierbei ist der Hochtemperaturwerkstoffforschung eine besondere Bedeutung beizumessen. Durch die systematische Identifizierung neuartiger Konstruktionsmaterialien und deren Erweiterung zu anwendungsfähigen multifunktionalen Werkstoffsystemen können die bestehenden Einsatzgrenzen der höchstbelasteten Komponenten gesteigert und das Leistungsvermögen ausgeschöpft werden. Auf diesem Weg trägt die Werkstoffkunde einen wesentlichen Teil zur Entwicklung ökologisch nachhaltiger und effizienter Antriebs- und Energiewandlungstechnologien bei. In dieser Forschungsarbeit wird das Potential solcher Werkstoffsysteme in Form von Multilagen-Wärmedämmschichten untersucht. Weiter werden Möglichkeiten aufgezeigt, um derartige Verbundstrukturen so zu konzipieren, dass sie unter dem Aspekt einer weit höheren als der bislang zulässigen Dauereinsatztemperatur dennoch eine hohe Lebensdauer erwarten lassen.

In der industriellen Praxis verwendete Auslegungsansätze für Wärmedämmschichtsysteme beruhen auf einer umfangreichen experimentellen Parameterstudie, aus der nach einer definierten Dauer unter betriebsnaher Beanspruchung die Werkstoffkombinationen ausgewählt werden, deren mikrostrukturelles Erscheinungsbild den geringsten Degradationsgrad aufweist. Eine solche experimentbasierte Auslegungsphilosophie besitzt zwei wesentliche Nachteile: Erstens ist sie mit einem hohen Versuchsaufwand verbunden. Zweitens liefert sie wenig Informationen über die Vorgänge und deren Interaktionen, die während der Hochtemperaturexposition stattfinden und die Strukturintegrität beeinflussen. Vor diesem Hintergrund wird ein mechanismenbasiertes Bewertungskonzept eingeführt, das es ermöglicht, eine fundierte bruchmechanische Analyse vorzunehmen und die Gebrauchseignung potentieller Werkstoffkombinationen quantitativ zu beurteilen. Der entwickelte Ansatz berücksichtigt die relevanten thermisch aktivierten Prozesse innerhalb des Werkstoffverbunds sowohl temperatur- als auch zeitaufgelöst. In ihm werden die makroskopischen Eigenschaften der Wärmedämmschichten sowie deren Änderungen infolge der Hochtemperaturbeanspruchung auf die mikrostrukturelle Ebene zurückgeführt und beide Skalen derart verknüpft, dass eine Vorhersage effektiver Materialeigenschaften möglich wird. Eine systematische Charakterisierung der untersuchten Multilagen-Wärmedämmschichten bildet das Fundament dieser wirkmechanismenbasierten Modellierung.

Die abschließende Bewertung der Strukturintegrität des vielschichtigen Werkstoffverbunds erfolgt auf numerischem Wege und schließt sämtliche modelltheoretischen Konzepte ein. Die Ergebnisse der Untersuchungen zur Entwicklung lokaler Spannungen und der Risswachstumsanalysen zeigen eine sehr gute Übereinstimmung mit experimentell ermittelten Schädigungsbefunden. Zugleich liefern sie eine Erklärung für den bisher unverstandenen Mechanismus einer Verschiebung des Versagensortes in Abhängigkeit der thermischen Beanspruchungshistorie. In Bezug auf aktuelle Fragestellungen zum technologischen Potential und den Anwendungsgrenzen der Multilagen-Wärmedämmschichten stellt das entwickelte Bewertungskonzept einen wichtigen Beitrag und die darüber gewonnenen Einsichten in die strukturelle Integrität einen wesentlichen Erkenntnisgewinn dar.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

In order to ensure the future viability of turbomachinery as propulsion systems for aviation and for the flexible provision of electrical energy in small units and large scale plants, concepts for highly efficient and resource-saving systems are needed. In this context, a special importance is attached to high-temperature materials research. By systematically identifying novel engineering materials and extending them to form viable multi-functional material systems, the existing application limits of the most highly stressed components can be increased and their performance exploited to the full. In this way, materials science makes a significant contribution to the development of ecologically sustainable and efficient propulsion and energy conversion technologies. The intention of this research work is to investigate the technical potential of such material systems in the form of multilayer thermal barrier coatings. Furthermore, it aims to derive recommendations for designing such composites in a way that they can be expected to have a long service life.

Today’s established industrial design approaches for thermal barrier coating systems are based on an extensive experimental parameter study. After a prior defined number of cycles in near-service loading conditions the material combinations whose microstructure exhibits the lowest degradation are selected. This results in two major disadvantages: Firstly, such an experimental design philosophy is associated with high efforts. Secondly, it provides less information about processes and their interactions taking place during high temperature exposure and influencing the structural integrity. Keeping that in mind, a mechanism-based evaluation concept is introduced that enables a well-founded fracture mechanics analysis to be carried out. It is intended to allow a quantitatively assessment of the suitability for use of potential material combinations. The developed approach considers the relevant thermally activated processes within the material composite in both: a temperature- and a time-resolved manner. For this, it traces the macroscopic properties of thermal barrier coatings as well as their changes due to high-temperature exposure back to its microstructure. By linking both scales consequently within the entire modeling process, a prediction of effective material properties is enabled. A systematic characterization of the investigated multilayer thermal barrier coatings provides the basis for the mechanism-based approach.

The final evaluation of the structural integrity of the multilayer composites is carried out numerically. They have a focus on the development of local stresses and analyses the crack growth behavior at critical positions. The results are in a very good agreement with experimental findings characterizing the damage behavior. Even more, they provide an explanation for the previously misunderstood failure shifting mechanism depending on the thermal stress history. With regard to open questions on the technical potential and the application limits of multilayer thermal barrier coatings, the developed evaluation concept represents an important contribution. The insights into the structural integrity kept by the approach represent a significant gain in knowledge.

English
Place of Publication: Darmstadt
Collation: VII, 160 Seiten
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: 21 Dec 2021 08:01
Last Modified: 21 Dec 2021 08:01
DOI: 10.26083/tuprints-00020057
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-200576
Referees: Oechsner, Prof. Dr. Matthias ; Galetz, PD Dr. Mathias
Date of oral examination: 19 October 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/20057
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