Design der Mikrostruktur von Wärmedämmschichten durch die Anpassung der Verteilung von Splat-Morphologien

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Wolfgang Tillmann
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 398319556

Atmosphärisch plasmagespritztes (APS) Aluminiumoxid und teilstabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) wurden von zahlreichen Wissenschaftlern unter Verwendung unterschiedlicher Methoden untersucht. In diesen Studien wird übereinstimmend berichtet, dass die Charakteristiken der Partikel im Flug, sowie die Eigenschaften des zu beschichtenden Substrates die Splat-Morphologie beeinflussen. Jedoch bleiben die Wechselwirkungen der beeinflussenden Faktoren unklar definiert. Darüber hinaus wurden Zusammenhänge zwischen den untersuchten Splat-Morphologien und den resultierenden Charakteristiken der Poren und Risse innerhalb der erzeugten Schichten nicht ausreichend untersucht. Die Effizienz einer TBC-Deckschicht (Thermal barrier coating) hängt primär von der Dichte, der Morphologie und der Verteilung der Hohlräume, sowie von der Dichte der vertikalen Risse ab. Für jedes Anwendungsgebiet gibt es optimale Spezifikation, die die erforderliche Kombination von Poren und Risse erzeugt, welche von den mechanischen und thermischen Beanspruchungen abhängig sind.Daher ist der Hauptaspekt dieser Studie, YSZ-Splats unter Verwendung von statistischer Versuchsplanung (DoE) abzuscheiden und gleichzeitig die zugehörigen Schichten zu erzeugen. Die Splats werden durch eine Strahlverschluss-Vorrichtung abgeschieden. Der Arbeitsplan beginnt mit einer detaillierten Analyse der Splats zur Identifizierung der Morphologien und deren Verteilung. Dadurch sollen klar definierte Beziehungen zwischen diesen Verteilungen und den damit verbundenen Randbedingungen festgelegt werden. Anschließend werden allgemein gültige Beziehungen zwischen den identifizierten Verteilungen der Splat-Morphologien und den daraus resultierenden Charakteristiken von Poren und Rissen erstellt.Weiterhin werden die Wechselwirkungen der mittels der statistischen Versuchsplanung erstellten Zustände, die zur gleichzeitigen Koexistenz der gewünschten Mikrostrukturen der vertikalen Risse, sowie der Verteilung der Splat-Arten, optimiert. Die Porosität, welche durch den Optimierungsprozess der Schichtstruktur erreicht werden kann, ist technisch begrenzt. Daher ist beabsichtigt, Porenbildner den YSZ-Pulvern hinzuzufügen. Das Spritzpulver wird im Verlaufe der statistischen Versuchsplanung mit bis zu 50 vol.% Porenbildner angereichert. Die Ergebnisse dieser Versuche werden mit Hilfe der Rasterelektronenmikroskopie analysiert, um die Wirkung des Porenbildners zu eruieren.Abschließend wird eine direkte Beziehung zwischen den untersuchten Spritzbedingungen und den erhaltenen mikrostrukturellen Merkmalen erarbeitet und validiert werden. Die erhaltenen Ergebnisse sollen es ermöglichen, APS-Schichten mit vordefinierten Mikrostrukturcharakteristiken herzustellen und die Reproduzierbarkeit zu verbessern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen