Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-3784
Kerkhoff, Gerold
Vergleich zwischen experimentell beobachteten Versagensmustern und berechneten Spannungsverteilungen in thermich belasteten ebenen und gekrümmten 8YSZ-Wärmedämmschichten
125 S., 2000
Die Hauptentwicklungsziele im Turbinenbau liegen neben der Verlängerung der Lebensdauer in der Erhöhung des Wirkungsgrades und in der Reduzierung der Schadstoffemission. Diese können u.a. durch eine Erhöhung der Gaseintrittstemperatur erreicht werden. Die Temperatur-belastbarkeit der metallischen Turbinenschaufeln wird heute meist durch die Aufbringung eines Duplex-Schichtsystems, bestehend aus einer vakuumplasmagespritzten NiCoCrAlY-Haftvermittlerschicht und einer 7-8 Gew.% Y2O3-ZrO2 Wärmedämmschicht erhöht. In Verbindung mit der inneren Kühlung der Schaufel können in einer 300 µm dicken Wärmedämmschicht ca. 200 K abfallen.
Die Vorteile solcher Schichtsysteme können allerdings nur dann voll genutzt werden, wenn ihre Mindestlebensdauer genau vorhergesagt werden kann. Aufgrund der Komplexität des Schichtsystems und den zahlreichen versagensrelevanten Eigenschaften der Wärmedämm-schicht ist dies zum heutigen Zeitpunkt noch nicht möglich.
In dieser Arbeit wurden mit Hilfe von analytischen und numerischen (FE) Modellen die Spannungsverteilungen in dem Schichtsystem bei zyklischer Beanspruchung untersucht. Die Ergebnisse wurden anhand röntgenographisch gemessener Spannungen und anhand von Gefügeuntersuchungen verifiziert. Ziel war dabei die Untersuchung der Einflüsse unterschiedlicher geometrischer Parameter, unterschiedlicher Grenzflächenrauhigkeiten und von Oxidationsprozessen an der Oberfläche der Haftvermittlerschicht auf die Spannungsentwicklungen in der Wärmedämmschicht. Die Ergebnisse wurden mit Hilfe von bruchmechanischen Ansätzen hinsichtlich ihrer Verwendbarkeit zur Lebensdauervorhersage ebener und gekrümmter thermisch belasteter Wärmedämmschichtsysteme bewertet.
Es zeigte sich, daß durch die Berechnung der zeitlichen Entwicklung der Spannungsverteilungen die Lokalisierung der Rißinitiierung und der Fortschritt des Rißwachstums abgeschätzt werden kann. Für eine genaue Lebensdauervorhersage ist jedoch noch erheblicher Forschungsbedarf hinsichtlich der Rißentwicklung in plasmagespritzten Wärmedämmschichtmaterialien notwendig.
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