Thermal barrier coating system towards high strain tolerance and sintering resistance: design, manufacturing, and characterization
Mechanical Properties of Metallic Materials and their Microstructural Origins
Final Report Abstract
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde vor allem die Herstellung und Optimierung von Wärmedämmschichten untersucht, die über den Prozess des Suspensionsplasmaspritzens hergestellt wurden. Ein besonderes Augenmerk wurde dabei auf die Reproduzierbarkeit der Schichtstruktur gelegt und darauf, dass die verwendeten Parameter und Ausgangsmaterialien, so wie das genutzte Equipment eine möglichst lange Lebensdauer für die verwendete Anlage ermöglichen und der Verschleiß von Materialien reduziert wird. Da die bisherige am IEK-1 hergestellten SPS-Schichten hauptsächlich mit niedrig konzentrierten im Haus hergestellten Suspensionen erzeugt wurden, wurde in ersten Optimierungsversuchen der Feststoffgehalt der verwendeten Suspension deutlich von 5 Gew.-% auf 40 Gew.-% erhöht. Dies zeigte zumindest bei der Bildung von vertikal segmentierten Schichten gute Ergebnisse, wobei die erzeugten Schichten eine hohe Dichte aufwiesen. Nachdem von Herstellerseite jedoch die Kapillarengeometrie verändert wurde, führte die Verwendung der selbst hergestellten Suspension mit hohem Feststoffgehalt immer wieder zu Ablagerungen innerhalb der Kapillare und zu Verstopfungen eben jener, wodurch die Kapillaren für weitere Versuche unbrauchbar wurden. Der Vorteil der neuen Kapillarengeometrie besteht jedoch darin, dass bei gleichem Druck eine viel höhere Menge an Suspension gefördert werden kann im Vergleich zur alten Kapillarengeometrie, bei der der Prozess immer mit dem maximal möglichen Förderdruck durchgeführt wurde. Dadurch ist es nun möglich, die Fördermenge genauer zu kontrollieren und wenn nötig zu steigern. So konnten auch mit Suspensionen mit geringerem Feststoffanteil durch eine höhere Fördermenge eine Steigerung der Prozesseffiziens erreicht werden, da ein Beschichtungsprozess weniger Zeit in Anspruch nimmt. Der Feststoffanteil für die in diesem Projekt verwendete Suspension konnte zwar nicht, wie anfänglich angestrebt, auf 40 Gew.-% erhöht werden, jedoch konnte mit 10 Gew.-% zumindest eine Verdopplung des Feststoffanteils erreicht werden. Da die Reproduzierbarkeit der Schichten für die Verlässlichkeit von Analyseergebnissen und später auch Leistungsfähigkeit der Schichten maßgeblich ist, wurde ein neues Fördersystem in den Prozess integriert. Dadurch, dass statt gleichbleibendem Druck nun eine Pumpe, die den Massenfluss kontrolliert, für die Förderung verwendet wird, kann sichergestellt werden, dass eine konstante Menge an Suspension während des gesamten Prozesses gefördert wird. Bei der Nutzung von Druck zur Förderung konnte nicht verhindert werden, dass die Fördermenge auf Grund einer Reduktion des Innendurchmessers der Kapillare durch Ablagerungen sank und somit die geringere Fördermenge die Mikrostruktur der hergestellten Schichten beeinflusste. Diese Fehlerquelle konnte somit verringert werden, auch wenn die Nutzung des neuen Fördersystems keinen wirklichen Schutz vor dem Verstopfen der Kapillare darstellt. Die Nutzung hoch konzentrierter oder schlecht fließfähiger Suspensionen erfordert zusätzlichen Entwicklungsbedarf. Viele analytische Arbeiten an den hergestellten Schichten werden über die Projektzeit hinaus weiter fortgeführt, da auf Grund der anhaltenden pandemischen Lage zeitweise Verzögerungen auftraten. Die erhaltenen Erkenntnisse ermöglichen jedoch für weiter Forschungen an Suspensionsplasmagespritzten Schichten eine höhere Reproduzierbarkeit und legen den Grundstein für detaillierte Forschungen an kolumnaren und vertikal segmentierten Strukturen.
Publications
- Advanced thermal barrier coatings using columnar microstructures and self-healing concepts. International Conference on High-Performance Ceramics (CICC-11) Kunming, China, 25. - 29. Mai 2019
Denise Koch, Georg Mauer, Daniel Mack, Dapeng Zhou, Robert Vaßen
- “Columnar Thermal Barrier Coatings Produced by Different Thermal Spray Processes“, Journal of Thermal Spray Technology (2021) 30, pp.1437-1452
Kumar, N.; Gupta, M.; Mack, D.E.; Mauer, G.; Vaßen, R.
(See online at https://doi.org/10.1007/s11666-021-01228-5) - „Experimental and numerical investigation on the thermal and mechanical behaviours of thermal barrier coatings exposed to CMAS corrosion“, Journal of Advanced Ceramics (2021) 10 (3)
Li, Dongxu; Jiang, Peng; Gao, Renheng; Sun, Fan; Jin, Xiaochao; Fan, Xueling
(See online at https://doi.org/10.1007/s40145-021-0457-2) - „Microcrack propagation induced by dynamic infiltration of calcium-magnesium-alumino-silicate in columnar structures for thermal barrier coatings“, Journal of the Chinese Institute of Engineers (2021) 44, pp.11-21
Tseng, Shaochen; Chao, Chingkong; Zhang, Weixu, Fan, Xueling
(See online at https://doi.org/10.1080/02533839.2020.1831968) - “Oxidation behaviors of double-ceramic-layer thermal barrier coatings deposited by atmospheric plasma spraying and suspension plasma spraying”, Ceramics International (2022) 16, pp. 23938-23945
Zhao, Yuxiang; Ge, Yuxue; Jin, Xiaochao; Koch, Denise; Vaßen, Robert; Chen, Yao; Fan, Xueling
(See online at https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.05.068)
