Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-4042
In der vorliegenden Arbeit wird die Klasse der Selten-Erd-Zirkonate, die als Pyrochlorstruktur
auftreten, hinsichtlich ihrer Eignung als Wärmedämmschichtmaterial evaluiert. Ausgehend
von Lanthanzirkonat werden geeignete Substitutionen der Kationen durchgeführt, wobei die
Auswahl der Substitutionselemente anhand theoretischer Zusammenhänge zwischen
Wärmeleitfähigkeit sowie Wärmeausdehnungskoeffizient und atomistischen Parametern
erfolgt .
Die thermophysikalischen Eigenschaften Wärmeleitfähigkeit, spezifische Wärmekapazität
und Wärmeausdehnungskoeffizient sowie der Elastizitätsmodul dieser neuen Substanzen, in
denen La partiell oder vollständig durch Nd, Eu, Gd, Dy und Ca und Zr teilweise durch Ta
ersetzt wurde, werden gemessen und miteinander sowie mit den Eigenschaften des YSZ
verglichen. Dabei zeigen sich einige der Substanzen dem konventionellen YSZ deutlich
überlegen. Insbesondere Neodymzirkonat und Gd enthaltende Substanzen weisen deutlich
kleinere Wärmeleitfähigkeiten auf als YSZ oder Lanthanzirkonat . Lanthan-Europium-
Zirkonat hat einen deutlich größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als Lanthanzirkonat .
Zwei der untersuchten Materialien werden aufgrund ihrer hervorragenden
thermophysikalischen Eigenschaften eingehender untersucht, wobei die Abscheidung
plasmagespritzter Schichten und die Untersuchung von deren Thermoschockverhalten im
Mittelpunkt stehen. Neodymzirkonat und Lanthan-Europium-Zirkonat werden sowohl als
reine Substanzen als auch als Doppellagensystem in Verbindung mit YSZ auf Substrate, die
eine metallische Haftvermittlerschicht tragen, abgeschieden und in Thermozyklierversuchen
auf ihre Haltbarkeit unter thermischer Wechselbelastung getestet. Dabei weisen die YSZNeodymzirkonat-
Doppelschichtsysteme bei Temperaturen von mehr als 1320°C
Oberflächentemperatur größere Lebensdauern auf als konventionelle YSZ-Systeme. Die
Lanthan-Europium-Zirkonat-Schichten zeigen während der Thermozyklierversuche bereits
nach sehr kurzer Zeit eine Schädigung, die auf einen mit einer Volumenänderung
verbundenen Wechsel des Oxidationszustandes des Eu zwischen 200 und 300°C verbunden
ist.
The present thesis investigates the group of rare-earth-zirconates, crystallizing in a pyrochlore
structure, in regard to their applicability as thermal barrier coatings . Starting from lanthanum
zirconate suitable substitutions of cations will be done, whereas the Substitution elements are
selected according to theoretical interrelations between the thermal conductivity as well as the
coefficient of thermal expansion and atomistic parameters .
The thermophysical properties thermal conductivity, specific heat, and coefficient of thermal
expansion as well as the Young's modulus of these new substances where La is partial or
complete substituted by Nd, Eu, Gd, Dy, and Ca and Zr is partial substituted by Ta, are
measured and compared to each other and with those of YSZ. This comparison Shows that
some of the new materials have much better properties than the conventional YSZ. Especially
neodymium zirconate and Gd containing substances exhibit notedly lower thermal
conductivities than YSZ or lanthanum zirconate . Lanthanum-europium zirconate Shows a
clearly higher coefficient ofthermal expansion than lanthanum zirconate.
Two of the materials investigated have been choosen for further investigation because of their
extraordinary promising thermophysical properties. The focus of these further evaluations are
an the test of the thermal shock behavior of plasma-sprayed coatings. Neodymium zirconate
and lanthanum-europium zirconate are deposited as plasma sprayed layers onto substrates
which are coated with a metallic bond coat. Beside single layers of the new materials also
double layer systems consisting of the new materials and an underlaying YSZ tier are
produced. The life time of these coatings under sequences of rapid heating and cooling is
investigated in thermal cycling experiments . As a result the YSZ-neodymium zirconate layers
Show for temperatures above 1320°C much longer life times than conventional YSZ coatings.
The lanthanum-europium zirconate layers failed after a very short period of time. This failure
is led back to a change in volume of the material that is caused by a change of the oxydation
state (valency) ofthe Eu which occurs between 200 and 300°C.
Lehmann, Henry
Entwicklung neuer Wärmedämmschichten für thermisch hochbelastete Komponenten in Gasturbinen
VI, 119 S., 2003
Thermisch hochbelastete Komponenten in modernen Gasturbinen werden mit
Wärmedämmschichten versehen, wodurch die metallischen Grundwerkstoffe wirksam vor
den immer höheren Gaseintrittstemperaturen geschützt werden. Eine weitere Erhöhung dieser
Temperaturen, wie sie zur Wirkungsgradsteigerung wesentlich ist, kann nur unter
Verwendung neuer Wärmedämmschichtmaterialien erreicht werden, da das momentan
eingesetzte yttriumoxidstabilisierte Zirkoniumoxid (YSZ) nur maximalen Temperaturen von
etwa 1200°C im Langzeitbetrieb ausgesetzt werden kann.
Hot parts of modern gas turbines with high thermal loads are covered by thermal barrier
coatings which protect the metallic substrates against the steadily increasing gas entry
temperatures. Further increase of the turbine entry temperatures which is necessary for the
enhancement of the degree of efficiency can only be achieved with the application of new
materials für thermal barrier coatings. The state-of-the-art material yttria stabilized zirconia
(YSZ) can only withstand temperatures of about 1200°C during long time exposure.
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