Verlag des Forschungszentrums Jülich

JUEL-4042
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.

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.

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.

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.

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Letzte Änderung: 07.06.2022