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JUEL-3954
Blandin, Gwendolin; Steinbrech, Rolf W.
Thermomechanisches Verhalten von plasmagespritzten Schichtsystemen zur Wärmedämmung
IV, 121 S., 2002

Die Beschichtung einer Turbinenkomponente mit einem Wärmedämmschichtsystem bezweckt die Verringerung der Temperaturen im Grundwerkstoff und schafft somit die Möglichkeit zur Erhöhung von Gaseintrittstemperatur und Wirkungsgrad. In stationären Gasturbinen wird üblicherweise ein plasmagespritztes Wärmedämmschichtsystem aus einer korrosionsbeständigen MCrAlY -Haftvermittlerschicht und einer 7-8 Gew. % Y203-ZrO2 Wärmedämmschicht verwendet.

Das Vorhersagen der zulässigen Betriebszeit vom Wärmedämmschichtsystem ist jedoch nur möglich, wenn das thermomechanische Verhalten der Schutzschichten bei hohen Temperaturen und in Verbundgeometrie bekannt ist. Auch die im Werkstoffverbund vorhandenen Eigenspannungen, für deren Entstehen der Spritzprozeß und die Fehlanpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten verantwortlich sind, spielen eine wichtige Rolle.

Die im Rahmen dieser Arbeit vorgestellten Experimente wurden gezielt gewählt, um die Eigenschaften einer plasmagespritzten Wärmedämmschicht in Verbundgeometrie zu ermitteln. Freie Krümmungsexperimente unter reiner thermischer Beanspruchung von Raumtemperatur bis 1000°C und isotherme 4-Punkt Biegeversuche bei Raumtemperatur, 600°C und 950°C wurden an dreilagigen WDS-Probenstreifen durchgeführt. Mit Hilfe eines hochauflösenden Teleskop- Systems und digitaler Datenerfassung konnten Gestalt- und Gefügeänderungen in-situ beobachtet und aufgenommen werden. Parallel dazu wurde ein linear-elastisches Modell zur Berechnung der Spannungsverteilung in Mehrlagenwerkstoffverbünden entwickelt.

Aus den Experimenten an WDS-Verbundproben geht deutlich hervor, daß ein elastisches Verhalten bei den einzelnen am WDS-System beteiligten Werkstoffen bis 600°C gegeben ist. Oberhalb von 600°C treten unter bestimmten geometrischen Schichtbedingungen und dadurch bestimmten Spannungszuständen anelastische Vorgänge auf (Rißbildung in der keramischen Deckschicht und Spannungsrelaxation oder Phasenumwandlung in der Haftvermittlerschicht). Im elastischen Bereich sind die Spannungsverteilungen in den dreilagigen Probenstreifen bei Raum- und Hochtemperatur berechnet worden. Das linear-elastische Modell dient auch zur Berechnung des Hochtemperatur-Elastizitätsmoduls der keramischen WDS in Verbundgeometrie. Der E-Modul der WDS im Verbund liegt etwa 20 % unter den Werten von freistehenden Schichten.

Thermal barrier coatings are increasingly utilized to protect gas turbine components from high temperature exposure. Thus the use of TBCs allows an improvement of the system efficiency, since the coated components can support higher inlet temperatures. For stationary gas turbine applications, the combination of an oxidation resistant MCrAlY bond coat and a 7-8 wt. % Y203-ZrO2 plasma sprayed top coat is currently the favored TBC-system.

To predict the life duration of the TBC-system, the determination of the high temperature behavior of the protective coatings in composite geometry is indispensable. Also the residual stresses, which result from spraying process and thermal expansion misfit between the bonded layers, are of crucial importance.

In the present study, experiments were selected to evaluate the thermoelastic properties of a plasma sprayed TBC in composite geometry. The curvature behavior of three-layer specimen strips was observed between room temperature and 1000°C, when submitted exclusively to temperature. Also isothermal 4-point bending tests were performed at room temperature, 600°C and 950°C. During curvature and bending experiments, shape and structure changes were monitored in-situ using a high resolution telescope in combination with a digital data acquisition system. In parallel, a linear-elastic model was developed to calculate analytically the stress distribution in multi-layered systems.

The high temperature experiments on the TBC-specimen strips demonstrate that the bonded materials behave elastically up to 600°C. Depending on the specimens geometry, i.e. on the stress distribution, non-elastic effects can occur above 600°C (crack formation in the ceramic coating or stress relaxation and phase changes in the bond coat). When alllayers show an elastic behavior, the stress distribution can be calculated at room and at high temperatures. Using the proposed linear-elastic model, the temperature dependent elastic modulus of the ceramic TBC in composite geometry can also be derived. The obtained values are about 20 % behind the modulus of free standing layers.

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