Deposition and characterization of multilayered EB-PVD thermal barrier coatings based on rare-earth oxides
Final Report Abstract
Im Rahmen des Projekts wurden auf Basis von Seltenerdoxiden ein-, zwei- und vierlagige Wärmedämmschichten bestehend aus 7YSZ, Gd2Zr2O7 und La2Zr2O7 mittels der EB-PVD Technologie hergestellt. Zunächst wurden Prozessfenster entwickelt, welche reproduzierbar die Herstellung stöchiometrischer und mehrlagiger Schichtsysteme ermöglichten. Die Analyse der Mikrostruktur zeigte eine Abhängigkeit zwischen dem Prozessparameter Probenrotationsgeschwindigkeit u und der Porosität p im Schichtverbund. Die XRD-Analysen der jeweiligen Schichtsysteme bestätigten die Abscheidung stöchiometrischer Phasen und wurden als Nachweis für die Bildung von TGO, Spinellen und intermetallischen Phasen im Schichtverbund verwendet. Bei Temperaturen oberhalb von T = 1.000 °C liegt die Wärmeleitfähigkeit κ der Schichtsysteme, mit Ausnahme des zweilagigen Schichtsystems 7YSZ/Gd2Zr2O7, im Bereich von κ ≈ 1,14 W/m∙K bis κ ≈ 1,85 W/m∙K. Bei Betrachtung des Zusammenhangs zwischen Rotationsgeschwindigkeit u und Wärmeleitfähigkeit κ stellte sich heraus, dass die geringste Rotationsgeschwindigkeit u eine Reduzierung der Wärmeleitfähigkeit κ bei allen Schichtsystemen hervorruft. Den konstantesten Verlauf der Wärmeleitfähigkeit κ über dem untersuchten Temperaturbereich zeigte das vierlagige Schichtsystem bestehend aus 7YSZ/Gd2Zr2O7, mit Werten die dauerhaft unterhalb von κ ≈ 1,4 W/m∙K lagen und ab T = 1.100 °C eine fallende Tendenz aufwiesen. Die Messung der Porosität p erfolgte per Farbwert-Analyse. Hierbei offenbarte sich, dass die Schichtsysteme, welche mit der geringsten Rotationsgeschwindigkeit u hergestellt wurden, ebenfalls die geringste Porosität p besitzen. Gleichzeitig zeigte die Korrelation von Wärmeleitfähigkeit κ und Porosität p einen so nicht erwarteten Zusammenhang. Mit sinkender Porosität p wurde die Wärmeleitfähigkeit κ ebenfalls kleiner. Dieser Zusammenhang konnte über Unterschiede in der Mikrostruktur erklärt werden, da die Ausrichtung von Poren, parallel oder senkrecht zur Substratoberfläche, einen entscheidenden Einfluss auf den Wärmeübergang hat. Bei den isothermen und thermozyklischen Auslagerungstests zeigten die Schichtverbunde inklusive der zweilagigen WDS im Vergleich zu den Schichtverbunden mit den einlagigen WDS ein deutlich verbessertes Systemverhalten, welches sich durch erhöhte Standzeiten unter isothermer und thermozyklischer Auslagerung äußerte. Diese Ergebnisse konnten durch die Schichtverbunde mit den vierlagigen WDS nicht bestätigt werden, da das Versagen bei den Auslagerungsversuchen deutlich früher eintrat, als bei den Schichtverbunden inklusive zweilagiger WDS. Die Untersuchung der Versagensmechanismen zeigte jedoch, dass das Versagen nicht auf die WDS sondern auf die Oxid- und Fehlstellenbildung im Interface zwischen TGO und Haftvermittlerschicht und die dadurch induzierten Spannungen zurückzuführen war. Ein besonderer Vorteil, welcher sich durch den Mehrlagenaufbau bezüglich der Wärmeleitfähigkeit κ ergibt, konnte anhand der Laser Flash Messungen nur beim vierlagigen Schichtsystem bestehend aus 7YSZ/Gd2Zr2O7 nachgewiesen werden. Die Ergebnisse zeigen, dass das Lösungskonzept des Mehrlagenaufbaus grundsätzlich geeignet ist, um Differenzen hinsichtlich der Materialeigenschaften verschiedener Lagen auszugleichen und bestimmte Eigenschaften einzustellen. Dennoch zeigen die Ergebnisse auch, dass weiterhin deutliches Verbesserungspotenzial hinsichtlich des Aufbaus und der Morphologie von WDS sowie der Messung ihrer Eigenschaften, wie z.B. der Wärmekapazität cp oder des Wärmeausdehnungskoeffizienten αΔ, besteht.
Publications
- Influence of temperature on phase stability and thermal conductivity of single- and double ceramic-layer EB-PVD TBC top coats consisting of 7YSZ, Gd2Zr2O7, La2Zr2O7, Surface & Coatings Technology 237 (2013) 56-64
K. Bobzin, N. Bagcivan, T. Brögelmann, B. Yildirim
- Isothermal Oxidation Behaviour of EB-PVD Double Ceramic TBCs up to 1,300 °C, Turbine Forum 2014, 07.05. – 09.05.2014, Nizza, Frankreich
K. Bobzin, N. Bagcivan, T. Brögelmann, B. Yildirim
- Microstructure behavior and influence on thermally grown oxide formation of double-ceramic-layer EB-PVD thermal barrier coatings annealed at 1,300 °C under ambient isothermal conditions, Material Science and Engineering Technology 45(10) (2014), 879-893
K. Bobzin, N. Bagcivan, T. Brögelmann, B. Yildirim
(See online at https://doi.org/10.1002/mawe.201400248) - Thermal Cycling and Isothermal Oxidation Behavior of Quadruple EB-PVD Thermal Barrier Coatings = Thermoschock‐ und isothermes Oxidationsverhalten von vierlagigen EB‐PVD Wärmedämmschichten. Materials Science and Engineering Technology, 48,6, June 2017, Pages 502-518
K. Bobzin, T. Brögelmann, C. Kalscheuer, B. Yildirim, M. Welters
(See online at https://doi.org/10.1002/mawe.201600723)
