Development of a mechanism-based lifetime model for bi-layer thermal barrier coatings, part 2

• Applicants: Professor Dr.-Ing. Matthias Oechsner; Professor Dr.-Ing. Michael Schütze; Professor Dr. Robert Vaßen
• Subject Area: Coating and Surface Technology ; Mechanical Properties of Metallic Materials and their Microstructural Origins
• Term: from 2011 to 2018
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 208978087

• Final Report Year: 2018

Final Report Abstract

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden die Grundlagen geschaffen, um in einem dehnungskontollierten Modell die Schädigungsmoden der Keramik zu bestimmen und ausgehend von der aktuellen kritischen Dehnung über die Dehnung des Basiswerkstoffes die Lebensdauer bzw. die Restlebensdauer der Beschichtung zu ermitteln. Jedoch zeigt sich, dass die aufwendige Bestimmung der Risslänge ein nicht zu unterschätzender kritischer Faktor ist. Insbesondere durch die Beschichtung mit unterschiedlichen TBC Strukturen und damit vorhandenen unterschiedlichen Risslängen ergeben sich Probleme bei der Bestimmung der Lebensdauer. In diesem Fall wäre die Einführung einer generalisierten Ersatz-Fehlergröße wünschenswert, um die doch zu individuell gestaltete Bestimmung der Fehlergröße zu vermeiden. Die Untersuchungen der Bi-Layer Schichtsysteme GZO/8YSZ zeigen auch, dass die Bruchzähigkeit der GZO Schicht selbst und das Interface eine Schwachstelle im Gesamtsystem darstellen. Insbesondere die Bruchzähigkeit von GZO, die bei gleicher Porosität nur ca. 1/3 von 8YSZ beträgt, ist eine Schwachstelle in dem Gesamtsystem. Trotz der eingebrachten Verbesserungsvorschläge, wie eine Anpassung der Kanten oder eine Reduzierung der Schichtdicke der Oberlage, und der damit verbundenen Lebensdauerverbesserung müssen weitere Schritte unternommen werden, um die Stabilität solcher Systeme zu verbessern. Zusätzlich zeigte sich die Sensibilität der Lebensdauer des untersuchten Doppellagensystems auf die durch die Beschichtungsparameter gesteuerte Mikrostruktur. Optimierte Systeme besitzen jedoch eine Lebensdauer, die bei hohen Oberflächentemperaturen die Leistung von einlagigen YSZ-Schichten übertreffen kann. Prinzipiell kann das in diesem Projekt entwickelte Modell auch für andere Schichtsysteme eingesetzt werden, wenn man einige Basisparameter an den neuen Systemen bestimmt und die Diagramme an die Basisparameter anpasst. Durch die Überführung der kritischen Dehnung in Finite-Elemente-Modellierung ist es zudem möglich, auch an konkreten Bauteil-Geometrien mit komplexen Krümmungen eine Lebensdauerabschätzung vorzunehmen. Gerade im Hinblick auf die immer detailreichere Abbildung kompletter Maschinen und komplexer Abläufe sind damit erste Grundlagen geschaffen, um auch das Versagen der Wärmedämmschichten mit in eine vollständige physikalische Beschreibung von Turbinen zu integrieren.

Publications

• „Entwicklung eines mechanismenbasierten Lebensdauermodells für Bi-Layer Wärmedämmschichtsysteme“, Informationstagung Turbomaschinen Herbst 2013 Bad Neuenahr Zwischenber. Über Vorh. Nr 1108, Bd. Heft R565 (2013), S. 115–141
  M. Frommherz u. a.
  
• Gadolinium Zirconate/YSZ Thermal Barrier Coatings: Plasma Spraying, Microstructure, and Thermal Cycling Behavior “,, J. Am. Ceram. Soc., 97 [12] 4045–4051 (2014)
  E. Bakan, D.E: Mack, G. Mauer, und R. Vaßen
  (See online at https://doi.org/10.1111/jace.13204)
• „Gadoliniumzirconate, a Thermal Barrier Coating of newest Generation“, Proc. 10th Liège Conf. Mater. Adv. Power Eng., Bd. September 14th – 17th, 2014, Palais des Congrès Liège, Belgium, S. 479–491, 2014
  W. Stamm u. a.
  
• „Gadoliniumzirkonat - Eine keramische Wärmedämmschicht der neuesten Generation“, 37 Vortragsveranstaltung Langzeitverhalten Warmfester Stähle Hochtemp. FVWFVHT 28 Novemb. 2014 Düsseld., S. 11–22, 2014
  M. Frommherz, A. Scholz, M. Oechsner, E. Bakan, und R. Vaßen
  
• „Gadolinium Zirconate/YSZ Thermal Barrier Coatings: Mixed-Mode Interfacial Fracture Toughness and Sintering Behavior“, in Proceedings of Advanced High-Temperature Materials Technology for Sustainable and Reliable Power Engineering (123HiMAT-2015), 29 June-3 July, Sapporo, Japan, 2015
  M. Frommherz, A. Scholz, und M. Oechsner
  
• „Porosity–Property Relationships of Plasma-Sprayed Gd2Zr2O7/YSZ Thermal Barrier Coatings “, J. Am. Ceram. Soc., 1–8 (2015)
  E. Bakan, D.E: Mack, G. Mauer, R. Mücke, und R. Vaßen
  (See online at https://doi.org/10.1111/jace.13611)
• „Gadolinium zirconate/YSZ thermal barrier coatings: Mixed-mode interfacial fracture toughness and sintering behavior“, Surf. Coat. Technol., Bd. 286, S. 119–128, 2016
  M. Frommherz, A. Scholz, M. Oechsner, E. Bakan, und R. Vaßen
  (See online at https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2015.12.012)