Wärmedämmschichtsystem mit hoher Dehnungstoleranz und Sinterresistenz: Design, Herstellung und Charakterisierung

• Antragsteller: Professor Dr. Robert Vaßen
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 392167322

Das Suspensionplasmaspritzen (SPS) als neue Methode zur Herstellung von Wärmedämmschichten (WDS) nutzt Vorteile des konventionellen Plasmaspritzens und von Gasphasentechnologien, wobei poröse mit kolumnaren Gefügen verbunden werden können. Insbesondere ermöglicht die Nutzung nanophasiger Ausgangsmaterialien die Einstellung feinteiliger Mikrostrukturen. Kombiniert man diese Merkmale, ergeben sich graduierte und Multilagen WDS als ein potentieller Kandidat für multifunktionelle Anwendungen. Es gibt jedoch bisher wenig systematische Studien über solche multifunktionelle SPS WDS in der Literatur. Unsere eigenen Untersuchungen konnten zeigen, dass unterschiedliche Mikrostrukturen, z.B. kolumnar und vertikal segmentiert, durch entsprechende Einstellung der Prozessparameter möglich sind. Bei den kolumnaren Strukturen haben relativ hohe Porositäten und Rissdichten einen positiven Effekt auf die Lebensdauer durch die sich ergebende hohe Dehnungstoleranz. Reduziert man andererseits die Rissdichte, erhält man eine ausreichende Beständigkeit gegen Korrosion, weil das Eindringen flüssiger Oxide abgeschieden aus dem Heißgas vermieden wird. Eine maßgeschneiderte Porosität kann zudem die Sinterneigung unterdrücken. Damit sollte es durch Einstellung geeigneter Spritzparameter gelingen, strukturiert graduierte SPS WDS mit unterschiedlichen Funktionen zu niedrigen Kosten bereitzustellen. In diesem Projekt wird ein Designkonzept sowie die entspechende Herstellungsroute für strukturiert graduierte SPS WDS unter Verwendung von Yttriumoxid stabilisiertem Zirkonoxid (YSZ) entwickelt, wobei die Zusammenhänge zwischen Spritzparametern, Mikrostruktur und mechanischen Eigenschaften berücksichtigt werden. Die Veränderung mikrostruktureller und mechanischer Eigenschaften wird im Thermoschock, der Heißgaskorrosion und während Sinterexperimente unter Nutzung von hochauflösender Mikroskopie und Tomographie sowie in-situ Messungen charakterisiert.Degradations- und Versagensmechanismen werden durch Finite Element Methoden beschrieben, in denen ein konstitutives Modell gekoppelt mit einem Algorithmus zur Beschreibung von Vielfachrissen genutzt wird. Auf der Basis von experimentellen und numerischen Ergebnissen werden Bewertungskriterien und optimerte Mikrostrukturen ermittelt, die eine hohe Leistungsfähigkeit bei Vielfachbelastungen unter quasi Einsatz Bedingungen erlauben. Mit Beendigung des Projektes wird es einen deutlichen Erkenntnisgewinn in Bezug auf strukturabhängige Degradationsmechansimen geben und eine Basis für die Integradion unterschiedlicher Mikrostrukturen mit variierenden Eigenschaften geliefert werden. Ausserdem wird das Konzept zum Design der Mikrostruktur die Anwendung neuer WDS Systeme jenseits des YSZ beflügeln.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China
• Partnerorganisation: National Natural Science Foundation of China
• Kooperationspartner: Professor Dr. Xueling Fan