Materials World Network: Interaction of time- and load history dependent degradation of multilayered materials subjected to high temperatures
Final Report Abstract
Das Ziel der Forschungsarbeiten war es, einen Beitrag zu der Entwicklung kombinierter experimentell-numerischer Methoden zu leisten, mit denen eine genauere und schnellere Lebensdauerabschätzung für Werkstoffsysteme mit Übergängen zwischen unterschiedlichen Materialien bei Hochtemperaturbeanspruchungen möglich ist. Untersucht wurde exemplarisch ein Wärmedämmschichtsystem (WDS) auf einer Nickelbasislegierung, wie es zum Schutz von Turbinenschaufeln in der ersten Stufe einer Fluggasturbine zum Einsatz kommt. Laborproben aus dem Werkstoffsystem wurden in betriebsnahen Lastzyklen, mit denen die Ermüdungsbeanspruchung im Verlauf einer Flugmission nachgebildet wurde, einer Kombination aus Exposition bei Hochtemperatur, Kriech- und Ermüdungsbeanspruchungen ausgesetzt. Bei den Lastzyklen im Laborversuch waren die Haltezeiten gegenüber den Reiseflugzeiten stark verkürzt, um betriebsrelevante Zyklenzahlen von bis zu 5000 Zyklen in der Projektlaufzeit erreichen zu können. Die Effekte von Expositionszeit bei Hochtemperatur wurden an vorausgelagerten Proben untersucht. Das zentrale Schädigungsphänomen waren Risse durch die thermisch gewachsene Oxidschicht (TGO) zwischen keramischem top coat (TC) und bond coat (BC), von denen unterstützt durch Oxidationsprozesse Risse im BC parallel zur Schicht ausgingen, die letztlich zum Versagen des Schichtsystems durch Abplatzen führten. Dieses Phänomen wurde nur an ausgelagerten Proben beobachtet. Die Durchrisse der TGO setzen die Akkumulation von Zugspannungen in der TGO voraus, die jedoch unter der vereinfachenden Annahme linear elastischer Eigenschaften nicht erklärbar ist. Zur Beantwortung der Fragen wurden vom Projektpartner an der Universität Delaware numerische Modelle (Finite Element Modelle) erstellt und das Verhalten des Schichtsystems im Laborversuch simuliert. Die Probengeometrie wurde einschließlich des zeitabhängigen Wachstums der α-Al2O3 Schicht der TGO modelliert, die zeit- und temperaturabhängigen Eigenschaften der Werkstoffe des Schichtsystems implementiert und die Beanspruchungen, die im Laborversuch aufgebracht wurden, abgebildet. Werkstoffeigenschaften, die nicht aus der Literatur entnommen werden konnten, wurden aus Parameterstudien mit dem numerischen Modell abgeschätzt oder aus mikromechanischen Untersuchungen mittels Nanoindentation ermittelt. Veränderungen der Eigenspannungszustände durch Hochtemperaturexposition wurden mittels Röntgenbeugung und Ramanspektroskopie beschrieben. Wesentliches Ergebnis dieser Untersuchungen ist neben der Datenerzeugung ein besseres Verständnis der Mechanismen, die bei Hochtemperatur in der keramischen Deckschicht des WDS wirken. Richtungsabhängige Veränderungen der elastischen Eigenschaften konnten mit richtungsabhängigem Sinterverhalten der Schicht aufgrund ihrer anisotropen Mikrostruktur erklärt werden. Die Simulationsrechnungen sagen in Abhängigkeit von den Relaxations- bzw. Kriecheigenschaften der TGO die Akkumulation von Zugspannungen in der TGO im Verlauf aufeinander folgender TGMF-Zyklen vorher. Ebenfalls erfasst wird, dass sich im ausgelagerten Werkstoffsystem deutlich schneller Zugspannungen in der TGO aufbauen als in einem neu beschichteten System. Mit den Simulationsrechnungen konnten auch die Wirkungen einzelner Parameter auf das Verhalten des Werkstoffsystems erfasst werden. Fazit: Wenn das Verhalten eines komplexen Werkstoffsystems in nichtlinearer Weise von wechselwirkenden zeit- und zyklenzahlabhängigen Mechanismen abhängt, lässt es sich zuverlässig nur mittels genauer numerischer Modelle vorhersagen. Die numerische Simulation liefert in Kombination mit experimentellen Untersuchungen darüber hinaus Aussagen (i) über die Sensitivität des Systems in Bezug auf Annahmen/unsichere Daten, (ii) darüber, welche Eigenschaften wünschenswert wären, um ein bestimmtes Schädigungsverhalten zu vermeiden bzw. günstig zu beeinflussen.
Publications
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Effects of ageing on mechanical properties and damage behavior of EB-PVD thermal barrier coating systems. 35th International Cocoa Beach Conference & Exposition on Advanced Ceramics & Composites (ICAACC), 25.01.2011
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On the crack opening of a characteristic crack due to thermo-mechanical fatigue testing of thermal barrier coatings. Computational Material Science (50) (2011) 2561-2572
M.T. Hernandez, D. Cojocaru, A.M. Karlsson, M. Bartsch
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Schädigungsverhalten beschichteter Nickelbasislegierungen für Gasturbinenschaufeln unter betriebsnaher Belastung. Werkstoffkolloquium des Instituts für Werkstoff-Forschung des DLR Köln, Bonn, 06.12.2011
M. Bartsch, M.T. Hernandez, A.M. Karlsson
