Failure behavior of modern double-layer thermal barrier coatings subjected to compression tests

Demands for reduced emissions and higher efficiency of stationary gas turbines and jet engines lead to the necessity for increased operating temperatures. Therefore, thermal barrier coating (TBC) systems deposited to high-temperature impinged parts, e.g. turbine blades and vanes, as well as combustor liners, containing an yttria-stabilized zirconia (YSZ) top layer are well established. Currently, surface temperatures of YSZ coated turbine parts are limited to approximately 1250 °C in long-term operation, due to the rapid degradation of YSZ caused by sintering and phase instability. Double-layer TBC based on gadolinium zirconate (GZO) applied on top of a 7 to 8 wt. % YSZ layer seem to be proper candidates for advanced coating architectures to withstand temperatures up to 1550 °C. The present work investigates the failure behavior and fracture process of double-layer thermal barrier coatings under uniaxial compressive loading conditions. Coating systems of type GZO and YSZ with low and high GZO porosity (LP, HP) were fabricated, to examine the influence of microstructure and spray process parameter on failure behavior and compressive strain energy. A conventional YSZ-HP single-layer coating serves as a reference. All systems were deposited via atmospheric plasma spraying (APS) on cylindrical rods made from CoNiCrAlY (LCO-22) coated, nickel-based, single crystal superalloy (PWA 1483). The total thickness of ceramic layers was about 600 µm. Effects of thermal ageing were taken into account by isothermal pre-oxidation at 1050 °C and dwell-times of 100, 500 and 1.500 hours and compared to cyclic annealed TBC systems (50 to 1050 °C, up to 500 cycles). Failure and cracking processes during compression tests were monitored by an acoustic emission (AE) system and piezo-electric, wideband sensors. Furthermore, a stereo camera system provides information about three-dimensional displacements and TBC surface strain. In as-sprayed condition, the stored volume related strain energy to failure of double-layer coatings is comparable to the referenced single-layer system. AE analysis indicates coating failure at earlier stages after thermal ageing. Consequently, pre-oxidation leads to reduced strain energies with increasing dwell-time in all investigated coating systems. Based on digital image correlations (DIC), the failure behavior of as-sprayed GZO/YSZ coatings has been identified to be similar to the YSZ single-layer system. A different behavior was observed for pre-oxidized coatings, where cracking and spallation of GZO occurs predominantly. Chair and Institute for Materials Technology, Technische Universität Darmstadt, 64283 Darmstadt, German

Entwicklung und Validierung eines FEM-basierten Rissfortschrittsmodells zur Beschreibung von Stützwirkung unter Kriechermüdungsbeanspruchung

Um die im praktischen Einsatz verbauten Materialien und deren Eigenschaften möglichst optimal ausnutzen zu können, ist es je nach Design-Philosophie notwendig, den Zeitpunkt des Versagens oder den Zeitpunkt des Entstehens erster Anrisse möglichst präzise vorausberechnen zu können. Aktuell zur Verfügung stehende Ansätze zur Bewertung der Anrisslebensdauer von gekerbten Bauteilen, welche einer kombinierten Ermüdungs- und Kriechbeanspruchung ausgesetzt sind, fußen zumeist aus verschiedenen Gründen auf konservativen Betrachtungsweisen. Solche Konservativitäten sind zum einen notwendig, um beispielsweise vorhandene Unsicherheiten der Eingangsdaten ausreichend abzudecken. Zum anderen zeigen sich konservative Aussagen aber auch aufgrund der Einfachheit des gewählten Ansatzes, so dass bewusst, auf die Unzulänglichkeit der rechnerischen Beschreibung zurückzuführende, konservative Aussagen in Kauf genommen werden müssen. In dieser Forschungsarbeit wird daher eine solche Konservativität, die bruchmechanische Stützwirkung, genauer betrachtet, das Potential einer Berücksichtigung innerhalb der Anrisslebensdauerbewertung diskutiert und eine Möglichkeit aufgezeigt, dieses zukünftig im Rahmen entsprechender Berechnungen nutzen zu können. Bisher war es lediglich möglich, den sich auf die Anrisslebensdauer positiv auswirkenden Effekt der bruchmechanischen Stützwirkung für den Fall einer Kriechermüdungsbeanspruchung mit Hilfe komponentenspezifischer und entsprechend kostenintensiver Versuche zu quantifizieren. Systematische Ansätze und nutzbare Daten waren im Allgemeinen für diesen Anwendungsfall nicht verfügbar. Zunächst werden daher Ergebnisse eines systematisch durchgeführten experimentellen Programms an gekerbten Rundproben unter globaler Dehnungsregelung am Beispiel eines warmfesten $10\%$-Chrom-Schmiedestahls diskutiert. Auf Basis der Verwendung neuartiger Auswertungsansätze und mit Hilfe des Einsatzes spezieller Messtechnik zur Bestimmung des frühen Risswachstumsverhaltens konnte gezielt der Effekt einer bruchmechanischen Stützwirkung untersucht und quantifiziert werden. Diese experimentellen Erkenntnisse bilden zugleich das Fundament, um im zweiten Teil ein bruchmechanisches, rechnerisches Bewertungskonzept zu entwickeln, welches es erlaubt, den Betrag der bruchmechanischen Stützwirkung vorauszuberechnen. Dieses Konzept ist für eine spätere praktische Anwendung von zentraler Bedeutung: Ist es auf Basis der experimentellen Ergebnisse möglich nur für eingeschränkte Belastungssituationen und geometrische Randbedingungen quantitative Aussagen über den Betrag der bruchmechanischen Stützwirkung zu treffen, so versetzt ein entsprechend validiertes, rechnerisches Konzept den Anwender in die Lage, verschiedenste weitere, für den praktischen Anwendungsfall relevante Parameterkombinationen quantitativ zu analysieren. Auf Basis entsprechender Anforderungen wurde genau dieser Ansatz verfolgt und für die Problemstellung der Behandlung sogenannter mechanisch kurzer Risse ein neuer energiebasierter Ansatz entwickelt, um die Rissspitzenbeanspruchung für zyklisch elastisch-viskoplastische Kerbspannungsgradientenfelder rechnerisch bestimmen zu können. Der Vergleich der experimentell ermittelten Stützwirkung mit den Resultaten der Anwendung des entwickelten Konzepts zeigt eine sehr gute Übereinstimmung. Zugleich liefert die Betrachtung der Detailergebnisse des neu entwickelten Bruchmechanikkonzepts wertvolle Beiträge und Erkenntnisgewinne in Bezug auf aktuelle Fragestellungen auf dem Gebiet der zyklisch elastisch-plastischen und viskoplastischen Bruchmechanik

Entwicklung und Validierung eines FEM-basierten Rissfortschrittsmodells zur Beschreibung von Stützwirkung unter Kriechermüdungsbeanspruchung

Um die im praktischen Einsatz verbauten Materialien und deren Eigenschaften möglichst optimal ausnutzen zu können, ist es je nach Design-Philosophie notwendig, den Zeitpunkt des Versagens oder den Zeitpunkt des Entstehens erster Anrisse möglichst präzise vorausberechnen zu können. Aktuell zur Verfügung stehende Ansätze zur Bewertung der Anrisslebensdauer von gekerbten Bauteilen, welche einer kombinierten Ermüdungs- und Kriechbeanspruchung ausgesetzt sind, fußen zumeist aus verschiedenen Gründen auf konservativen Betrachtungsweisen. Solche Konservativitäten sind zum einen notwendig, um beispielsweise vorhandene Unsicherheiten der Eingangsdaten ausreichend abzudecken. Zum anderen zeigen sich konservative Aussagen aber auch aufgrund der Einfachheit des gewählten Ansatzes, so dass bewusst, auf die Unzulänglichkeit der rechnerischen Beschreibung zurückzuführende, konservative Aussagen in Kauf genommen werden müssen. In dieser Forschungsarbeit wird daher eine solche Konservativität, die bruchmechanische Stützwirkung, genauer betrachtet, das Potential einer Berücksichtigung innerhalb der Anrisslebensdauerbewertung diskutiert und eine Möglichkeit aufgezeigt, dieses zukünftig im Rahmen entsprechender Berechnungen nutzen zu können. Bisher war es lediglich möglich, den sich auf die Anrisslebensdauer positiv auswirkenden Effekt der bruchmechanischen Stützwirkung für den Fall einer Kriechermüdungsbeanspruchung mit Hilfe komponentenspezifischer und entsprechend kostenintensiver Versuche zu quantifizieren. Systematische Ansätze und nutzbare Daten waren im Allgemeinen für diesen Anwendungsfall nicht verfügbar. Zunächst werden daher Ergebnisse eines systematisch durchgeführten experimentellen Programms an gekerbten Rundproben unter globaler Dehnungsregelung am Beispiel eines warmfesten $10\%$-Chrom-Schmiedestahls diskutiert. Auf Basis der Verwendung neuartiger Auswertungsansätze und mit Hilfe des Einsatzes spezieller Messtechnik zur Bestimmung des frühen Risswachstumsverhaltens konnte gezielt der Effekt einer bruchmechanischen Stützwirkung untersucht und quantifiziert werden. Diese experimentellen Erkenntnisse bilden zugleich das Fundament, um im zweiten Teil ein bruchmechanisches, rechnerisches Bewertungskonzept zu entwickeln, welches es erlaubt, den Betrag der bruchmechanischen Stützwirkung vorauszuberechnen. Dieses Konzept ist für eine spätere praktische Anwendung von zentraler Bedeutung: Ist es auf Basis der experimentellen Ergebnisse möglich nur für eingeschränkte Belastungssituationen und geometrische Randbedingungen quantitative Aussagen über den Betrag der bruchmechanischen Stützwirkung zu treffen, so versetzt ein entsprechend validiertes, rechnerisches Konzept den Anwender in die Lage, verschiedenste weitere, für den praktischen Anwendungsfall relevante Parameterkombinationen quantitativ zu analysieren. Auf Basis entsprechender Anforderungen wurde genau dieser Ansatz verfolgt und für die Problemstellung der Behandlung sogenannter mechanisch kurzer Risse ein neuer energiebasierter Ansatz entwickelt, um die Rissspitzenbeanspruchung für zyklisch elastisch-viskoplastische Kerbspannungsgradientenfelder rechnerisch bestimmen zu können. Der Vergleich der experimentell ermittelten Stützwirkung mit den Resultaten der Anwendung des entwickelten Konzepts zeigt eine sehr gute Übereinstimmung. Zugleich liefert die Betrachtung der Detailergebnisse des neu entwickelten Bruchmechanikkonzepts wertvolle Beiträge und Erkenntnisgewinne in Bezug auf aktuelle Fragestellungen auf dem Gebiet der zyklisch elastisch-plastischen und viskoplastischen Bruchmechanik