Thermomechanisches Verhalten von plasmagespritzten Schichtsystemen zur Waermedaemmung

Abstract

Die Beschichtung einer Turbinenkomponente mit einem Waermedaemmschichtsystem bezweckt die Verringerung der Temperaturen im Grundwerkstoff und schafft somit die Moeglichkeit zur Erhoehung von Gaseintrittstemperatur und Wirkungsgrad. In stationaeren Gasturbinen wird ueblicherweise ein plasmagespritztes Waermedaemmschichtsystem aus einer korrosionsbestaendigen MCrAlY-Haftvermittlerschicht und einer 7-8 Gew.% Y_2O_3-ZrO_2 Waermedaemmschicht verwendet. Das Vorhersagen der zulaessigen Betriebszeit vom Waermedaemmschichtsystem ist jedoch nur moeglich, wenn das thermomechanische Verhalten der Schutzschichten bei hohen Temperaturen und in Verbundgeometrie bekannt ist. Auch die im Werkstoffverbund vorhandene Eigenspannungen, fuer 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 gewaehlt, um die Eigenschaften einer plasmagespritzten Waermedaemmschicht in Verbundgeometrie zu ermitteln. Freie Kruemmungsexperimente 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-Probestreifen durchgefuehrt. Mit Hilfe eines hochaufloesenden Teleskop-Systems und digitaler Datenerfassung konnten Gestalt- und Gefuegeaenderungen in-situ beobachtet und aufgenommen werden. Parallel dazu wurde ein linear-elastisches Modell zur Berechnung der Spannungsverteilung in Mehrlagenwerkstoffverbuenden 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 Spannungszustaenden anelastische Vorgaenge 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-Elastizitaetsmoduls der keramischen WDS in Verbundgeometrie. Der E-Modul der WDS im Verbund liegt etwa 20% unter den Werten von freistehenden Schichten. (orig.)Thermal barrier coatings are increasingly utilized to protect gas turbine components from high temperature exposure. Thus the use of TBCs allows an improvement fo 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.% Y_2O_3-ZrO_2 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 acquistion 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 all layers 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. (orig.)Dissertation by Blandin, G.Available from TIB Hannover: RA 831(3954) / FIZ - Fachinformationszzentrum Karlsruhe / TIB - Technische InformationsbibliothekSIGLEDEGerman