Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-4077
In der vorliegenden Arbeit wurde das Schädigungsverhalten eines Wärmedämmschichtsystems
aus atmosphärisch plasmagespritztem 8% yttriumstabilisiertem Zirkonoxid mit einer
NiCoCrAlY-Korrosionsschutzschicht (Rest Ni, 21,1%Co, 17,1%Cr, 12,6%Al, 0,61%Y,
0,4%Hf) als Haftvermittlerschicht auf dem einkristallinen Turbinenschaufelwerkstoff CMSX-
4 und dem polykristallinen Werkstoff IN 792 CC unter betriebsnahen Belastungen untersucht.
Zur Durchführung der isothermen LCF-Versuche wurden Zusatzeinrichtungen zur Beheizung
der TBC-beschichteten Proben entwickelt. Gänzlich neuartige Versuchsaufbauten waren für
die Durchführung der TMF-Versuche aufzubauen. Die Probenherstellung von separierten
Schichten und deren Prüfung in Druckkriechversuchen wurden erfolgreich durchgeführt.
Die gewonnenen Ergebnisse zeigen signifikante Unterschiede des Schädigungsverhaltens
zwischen TMF-Belastung (Thermal-Mechanical-Fatigue) und LCF-Belastung (Low-Cycle-
Fatigue) an den Randtemperaturen des TMF-Belastungszyklus. Die gewählte TMF-Belastung
führt zu niedrigeren Ermüdungslebensdauern im Vergleich zu den isothermen LCF-Versuchen.
Die Untersuchungen der Schädigung in der Wärmedämmschicht mit Hilfe der Schallemissionsanalyse
und die Berechnungen der Spannungen in der Wärmedämmschicht tragen zum
Verständnis des Schädigungsablaufs bei. Mit den Untersuchungen zum zeitabhängigen
Verformungsverhalten beider Beschichtungen und der Bestimmung des Elastizitätsmoduls
sind Daten für die Analyse des mechanischen Verhaltens zur Verfügung gestellt worden. Aus
den erbrachten Ergebnissen ist ein Verformungsmodell entwickelt worden, das die Verformung
unter Druckspannung als Veränderung der Defektstruktur der Wärmedämmschicht
interpretiert.
In the present work, the damage development in a TBC system has been investigated under
simulated service conditions. The system consisted of an atmospheric plasma sprayed, yttrium
stabilized zirconium oxide; a bond coat (BC) layer of NiCoCrAlY (balance Ni, 21 .1%Co,
17.1%Cr, 12.6%Al, 0.61%Y, 0.4%Hf) that also acts as a corrosion protection; and a substrate
of the polycrystalline turbine blade alloy IN 792 CC or the single crystalline CMSX-4.
For the isothermal low cycle fatigue (LCF) testing, additional means for the heating of coated
specimens were developed and for the thermomechanical fatigue (TMF) tests, completely
new test techniques were necessary. The manufacture of specimens of the isolated coating and
compression testing of these specimen were successfully carried out.
The results obtained show that there are significant differences in the damage development in
TMF loading and in isothermal (LCF) loading. In TMF loading with maximum and minimum
temperatures of 950 and 450°C, shorter fatigue lives than those in the LCF tests were
measured.
Investigations of the damage in the TBC using acoustic emission and calculation of the stress
in the TBC have contributed to the understanding of the damage processes. To obtain data for
the analysis of the mechanical behaviour, the time-dependent deformation behaviours of both
TBC and BC and the elastic modulus of the TBC were determined. Based on these data, a
deformation model was derived, which interpreted the deformation under compressive stress
as a change in the defect structure of the TBC.
Heckmann, Simon
Ermittlung des Verformungs- und Schädigungsverhaltens von Wärmedämmschichtsystemen
163 S., 2003
Der Einsatz von Gasturbinen in der Stromerzeugung hat in den letzten Jahrzehnten stark an
Bedeutung gewonnen. Um Emissionen zu verringern und Primärenergievorräte zu schonen,
muss der Wirkungsgrad heutiger stationärer Gasturbinen erhöht werden. Dies kann vor allem
durch eine höhere Turbineneintrittstemperatur und die Verringerung des Kühlluftstroms
erreicht werden. Ein großes Potenzial zur Erhöhung des Wirkungsgrads unter gleichzeitiger
Begrenzung der Metalltemperaturen der Schaufeln hat der Einsatz von Wärmedämmschichten.
Zur Nutzung der Möglichkeiten der Wärmedämmschichten in einem integrierten Design
fehlen bisher systematische Kenntnisse der Schädigung und derer werkstoffspezifischer
Einflussgrößen.
The application of gas turbines for the generation of electricity bas significantly increased
over the past decades. In order to reduce emissions and to conserve fossil fuels, the thermal
efficiency of stationary gas turbines should be increased. This can be achieved mainly by
higher turbine inlet temperatures and by reduction of the cooling air flow. The use of thermal
barrier coatings (TBCs) has great potential for increasing the thermal efficiency, while at the
same time limiting metal temperatures of the blades. The exploitation of the potential of TBCs
has, however, been hampered by the lack of systematic data concerning the damage development,
and of the material properties that affect it.
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