Simulation of plasma-sprayed thermal barrier coatings using a hierarchical computer model
Final Report Abstract
Hochtemperaturbeanspruchte Bauteile in TViebwerken werden standardmäßig mit Wärmedämmschichten (WDS) versehen, die die thermische Belastung des Grundwerkstoffes deutlich verringern. Diese Schichten werden dabei durch Plasmaspritzen aufgetragen. Dabei werden Pulverteilchen aus dem zu beschichtenden Material in einer Plasmaflamme aufgeschmolzen und auf den Grundwerkstoff hin beschleunigt. Beim Aufprall erstarren die Teilchen und bilden schließlich eine Schicht. Um derartige Beschichtungen optimieren zu können ist es notwendig, genau zu verstehen, wie die Prozessparameter die Schichteigenschaften beeinflussen. Da die Pulverteilchen in der Plasmaflamme schwer vorhersagbaren Bedingungen (Temperaturen, Strömungsgeschwindigkeiten etc.) unterworfen sind, ist die Vorhersage der Schichtstruktur problematisch. Im Rahmen dieses Projektes sollte ein Modell entwickelt werden, mit dem die MikroStruktur einer Schicht vertretbarem Rechenzeitaufwand und ausreichender Genauigkeit vorhergesagt werden kann, wenn die Parameter der aufprallenden Teilchen bekannt sind. Ein schwieriger Aspekt bei der Entwicklung eines solchen Modells sind die unterschiedlichen Längenskalen, die zu berücksichtigen sind. Ein aufgepralltes Pulverpartikel hat eine Dicke von nur einigen wenigen Mikrometern, während die Dicke einer Schicht üblicherweise im Bereich von einigen 100 um liegt. Um die unterschiedlichen Längenskalen in den Simulationen berücksichtigen zu können, wurde eine hierarchisch gegliederte Modellstruktur verwendet. Zu Beginn der Arbeiten wurde auf kleiner Längenskala das Aufprall- und Ausbreitungsverhalten eines einzelnen Pulverteilchens betrachtet. Die Form der sich ausbreitenden Teilchen, so genannter Splats, wurde experimentell und mittels strömungsmechanischer Simulationen untersucht. Aufbauend auf den gewonnenen Erkenntnissen erfolgte später die Programmierung eines zweidimensionalen und eines dreidimensionalen Monte-Carlo-Modells, mit dem Simulationen auf großer Längenskala mit realistischem Rechenaufwand möglich sind. Ein entscheidender Unterschied zu bestehenden Monte-Carlo-Modellen ist, dass die Abhängigkeit zwischen der Substrattopografie und dem Ausbreitungsverhalten des abgelagerten Teilchens im Modell berücksichtigt wird. Bereits existierende Monte-Carlo- Modelle lagern die Teilchen häufig als kompakte Struktur mit konstanter Dicke auf dem Untergrund ab. Das Ausbreitungsverhalten des Partikels auf strukturiertem Substrat (z. B. an einer Stufe oder einer Vertiefung) kann so jedoch nicht immer korrekt erfasst werden. Realistisch ist eine Ausbreitung von einem Zentrum ausgehend über das Substrat, so dass die Splatform nicht nur durch die lokale Oberflächenstruktur am Auftreffpunkt beeinflusst wird, sondern auch durch die Substratoberfläche, die während des Ausbreitungsvorgangs von dem Teilchen überflössen wird. In der zuerst entwickelten zweidimensionalen Variante des Monte-Carlo-Modells startet die Teilchenausbreitung mit der Berechnung einer anfänglichen Teilchenhöhe im Bereich des Auftreffpunktes. Das Fluidvolumen wird dann, vom Auftreffpunkt des Teilchens ausgehend, in zwei Richtungen verteilt. Die Dicke des Splats kann modifiziert werden, um Materialaufstau und veränderte Splatdicken an hohen Stufen sowie das Wegspritzen von Fluidvolumen an scharfen Kanten zu simulieren. Die mit dem 2DMonte- Carlo-Modell erzielten Simulationsergebnisse zeigten, dass die gewählte Methode in der Lage ist, die Strukturen von Wärmedämmschichten korrekt abzubilden. In der zweiten Projektphase wurde ein dreidimensionales Monte-Carlo-Modell entwickelt, da nur so der Aufprall und die Ausbreitung der Teilchen korrekt simuliert werden kann. Das Fluid breitet sich dabei radial von einem Startkreis aus und wird durch Markerpartikel beschrieben, die sich über das Substrat bewegen und Volumen ablagern. Die Erstellung dieses Modells nahm einen Großteil der zweiten Projektphase in Anspruch, da verschiedene Modellvarianten ausprobiert werden mussten, bis ein zufrieden stellendes Ergebnis erreicht wurde. Dieses Simulationsmodell kann das Ausbreitungsverhalten bei geradem und schrägem Aufprall auf ein Substrat realitätsnah wiedergeben. Auch das Verhalten an Hindernissen unterschiedlicher Höhe wurde in dem SD-Modell implementiert. An Stufen mittlerer Höhe abwärts beispielsweise spritzt das Fluid unter einem Spritzwinkel weg und trifft hinter der Stufe erneut auf, wo es sich weiter ausbreitet. Die Ergebnisse der dreidimensionalen Monte-Carlo-Simulationen wurden anhand strömungsmechanischer Simulationen validiert und zeigten auch für den Hindernis-Aufprall gute Übereinstimmungen. Besonders vorteilhaft an dem entwickelten Monte-Carlo-Modell ist, dass die Berechnung eines einzelnen Teilchens weniger als eine Minute dauert, im Vergleich zu 6-10 Stunden für eine entsprechende CFD-Simulation. Experimentell sind die Eigenschaften aufprallender Teilchen nur schwer zu bestimmen. Deshalb ist es notwendig, eine große Anzahl von Ein-Teilchen-Aufnahmen auszuwerten, um statistische Aussagen zu erhalten. Dazu wurden Bildanalyse-Algorithmen entwickelt, die diese Auswertung vereinfachen und objektivierbar machen. Um die Simulationsmodelle zu verifizieren, bietet sich dabei vor allem die Unterschung des schrägen Aufpralls der Teilchen an, da sich der Aufprallwinkel experimentell leicht .einstellen lässt. Beim schrägen Aufprall verändert sich die Splatform mit zunehmendem Substratwinkel von kreisförmig im Fall des senkrechten Aufpralls hin zu einer elliptischen Form bei einem Winkel von asub = 60 *. Ein starker Anstieg der Elliptizität wurde für Winkel asub > 40 ° nachgewiesen. Die Substrattemperatur rsub beeinflusst das Splashing des Teilchens stark. Aus der Literatur ist bekannt, dass es für verschiedene Materialkombinationen eine Übergangstemperatur Tt gibt, bei der sich die Splatmorphologie von fragmentierten, stark zerspritzten Splats hin zu nahezu kreisförmigen Splats ändert. Die meisten Literaturuntersuchungen verwenden dabei Stahlsubstrate, doch der für die Praxis wichtige Fall von Zirkonoxid-Partikeln auf einem Zirkonoxid-Substrat wurde bisher nicht untersucht. Die statistische Auswertung ergab für diese Materialkombination eine Übergangstemperatur Tt zwischen 190 und 230 °C.
Publications
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M. Baker, T. Steinke 7. Werkstofftechnisches Kolloquium, Chemnitz, 2004 Struktureller Aufbau plasmagespritzter Wärmedämmschichten - Experiment und Simulation
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T. Steinke, M. Baker 8. Werkstofftechnisches Kolloquium, Chemnitz, 2005 Untersuchung des Schrägaufpralls von YSZ-Pulverpartikeln beim atmosphärischen Plasmaspritzen
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T. Steinke, M. Baker 9. Werkstofftechnisches Kolloquium, Chemnitz, 2006 Monte-Carlo-Modell zur Simulation plasmagespritzter Wärmedämmschichten
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T. Steinke, M. Baker International Thermal Spray Conference & Exposition (ITSC) 2006, Seattle Monte Carlo Simulation of Thermal Sprayed Coatings
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T. Steinke, M. Baker, J.-E. Döring International Thermal Spray Conference & Exposition (ITSC) 2005, Basel Examination of the Microstructure of Thermal Barrier Coatings
