Einfluss von Wasserdampf auf die nutzbare Lebensdauer von Wärmedämmschichten (WDS) auf Hochtemperaturkomponenten in Gasturbinen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Gunther Eggeler
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 536426731

Zur Reduzierung von CO2-Emissionen wird Wasserstoffverbrennung in Gasturbinen in naher Zukunft eine wichtige Rolle spielen. Ein zunehmender Wasserstoffgehalt im Brenngas führt dabei zu einer Reihe von Herausforderungen bei den verwendeten Werkstoffen z.B. auch den in modernen Gasturbinen genutzten Wärmedämmschichten. In diesem Projekt soll primär der Einfluss von Wasserdampf auf die Eigenschaften von dem am häufigsten verwendeten Wärmedämmschichtmaterial, Yttriumoxid stabilisiertes Zirkonoxid (YSZ), untersucht werden. Auch wenn dieses Material seit Jahrzehnenten in Turbinen kommerziell genutzt wird, sind die Erkenntnisse bezüglich des Einflusses von Wasserdampf limitiert und widersprüchlich. Deshalb zielt dieses Projekt darauf ab, den Einfluss von Wasserdampfhaltigen Atmosphären auf die Eigenschaften von Wärmedämmschichten zu untersuchen. Dabei werden die häufig genutzten atmosphärisch plasmagespritzten (APS) sowie suspensionsplasmagespritzten (SPS) Systeme verwendet. Beide Systeme besitzen charakteristische mikrostrukturelle Merkmalle (Porosität, Mikrorisse, Kolumnen), die für die Eigenschaften und besonders die Lebensdauer essenziell sind. Hier soll zum einen der Einfluss des Wasserdampfes auf das Sintern an freistehenden Schichten untersucht und die zugrundeliegenden Elementarprozesse durch hochauflösende Charakterisierungsmethoden analysiert werden. Das Sintern führt zu einer Zunahme des E-Moduls und damit zu höheren Spannungen und einem früheren Versagen von Wärmedämmschichtsystemen. Neben dem Sintern soll auch der Einfluss auf die ungewünschte Phasenumwandlung des YSZ geklärt werden. Dabei ist aus der Literatur klar ein Einfluss von Wasserdampf auf Phasenumwandlungen im YSZ belegt, detaillierte Untersuchungen an Wärmedämmschichten fehlen jedoch. Zusätzlich zu diesen Untersuchungen, die an freistehenden Schichten erfolgen, werden auch komplette Wärmedämmschichtsysteme (Substrat + Haftvermittlerschicht + Wärmedämmschicht) auf ihr Verhalten im Wasserdampf untersucht werden. Hier werden auch die Abkühlbedingungen variiert, da bekannt ist, dass sie einen Einfluss auf die Phasenumwandlungen besitzen. Letztendlich sollen die gewonnenen Erkenntnisse zusammenfließen und es ermöglichen, eine klare Aussage zum Einfluss von Wasserdampf auf die Lebensdauer von plasmagespritzten YSZ basierten Wärmedämmschichten zu machen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Robert Vaßen