Influence of material and testing parameters on the lifetime of TBC systems with MCrAlY and NiPtAl bondcoats

  • Einfluss von Material- und Versuchsparametern auf die Lebensdauer von Wärmedämmschichten mit MCrAlY und NiPtAl Haftvermittlerschichten

Song, Peng; Schneider, Jochen (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2012)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2011

Kurzfassung

Das Oxidationsverhalten von Haftvermittlerschichten ist ein wichtiger Faktor, der die Lebensdauer der Wärmedämmschichten auf Komponenten in modernen Gasturbinen bestimmt. In der vorliegenden Arbeit wurden die Einflüsse von Versuchsparametern, wie Hoch- und Raumtemperaturhaltezeit, Aufheiz- und Abkühlrate, Zusammensetzung der Atmosphäre, auf die Oxidation der Haftvermittlerschichten und die damit verbundene Lebensdauer der Wärmedämmschichten untersucht. Eine Reihe von Schichtsystemen wurde getestet, u.a. Electron Beam - Physical Vapor Deposited (EB-PVD) and Air Plasma Sprayed (APS) Wärmedämmschichten (WDS) mit MCrAlY (M = Ni, Co) und NiPtAl Haftvermittlerschichten unterschiedlicher Zusammensetzungen. Der Einfluss der Versuchsparameter hängt stark vom Typ und den Eigenschaften der untersuchten Schichtsysteme ab. Die Lebensdauer der EB-PVD WDS Systeme mit konventionellen MCrAlY und NiPtAl Haftvermittlerschichten, die während der Oxidation eine homogene, flache Al-Oxidschicht bilden, ist durch eine kritische Oxidschichtdicke begrenzt. Nach dem Erreichen der kritischen Oxidschichtdicke erfolgt eine schnelle Rissbildung bzw. ausbreitung an der Grenzfläche Oxidschicht/Haftvermittlerschicht, die zu einem makroskopischen Versagen der Wärmedämmschicht führt. Als Folge von diesem Versagensmechanismus wird die Lebensdauer von den obengenannten Systemen sehr stark von Faktoren beeinflusst, die die Oxidschichtwachstumsrate und/oder Oxidschichthaftung bestimmen, insbesondere vom Sauerstoffpartialdruck in der Versuchsatmosphäre sowie dem Wasserdampfgehalt, wobei das thermische Zyklieren von Proben keinen wesentlichen Einfluss hat. Durch eine niedrigere Wachstumsrate sowie eine bessere Oxidschichthaftung zeigten sich die NiPtAl Haftvermittlerschichten den konventionellen MCrAlY Schichten überlegen. Die Lebensdauer von EB-PVD Wärmedämmschichten mit Zr-dotierten MCrAlY-Haftvermittlerschichten ist hauptsächlich durch die Geschwindigkeit der Rissausbreitung in inhomogenen, stark nach innen wachsenden Oxidschichten bestimmt und damit nicht durch den Sauerstoffpartialdruck, sondern durch das thermische Zyklieren beeinflusst. Für die APS Wärmedämmschichten ist die Oxidation der Haftvermittlerschicht nur eine von mehreren lebensdauerbestimmenden Einflussgrößen. Deswegen ist die Oxidschichthaftung für die Lebensdauer der APS WDS, im Vergleich zu den EB-PVD WDS weniger bedeutend. In den APS WDS Systemen müssen sich die Risse, die sich in den konvexen Bereichen der rauen Haftvermittlerschichtoberflächen bilden, durch die keramische Wärmedämmschicht ausbreiten, um zu einem makroskopischen Versagen zu führen. Die Rissausbreitungsrate in der WDS ist ein kritischer Schritt, der signifikant von den mikrostrukturellen Eigenschaften der WDS abhängt. Zusätzlich zur WDS-Porosität scheint das Rauhigkeitsprofil der Haftvermittlerschicht ein wichtiger Parameter zu sein, das die Rissbildung bzw. -ausbreitung bestimmt. Außerdem wurde festgestellt, dass der höhere Co-Gehalt in der Haftvermittlerschicht deren Gefüge stabilisiert und damit die Abkühlspannungen durch die Unterschiede in thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen der Oxidschicht bzw. WDS und Metallkomponenten reduziert, was zu einer Lebensdauerverlängerung der WDS führt. Der Nachteil der Co-reichen Haftvermittlerschichten ist, dass sie zur Bildung von schnellwachsenden Oxidschichten (Ni/Co-Spinell) neigen. Dieser negative Effekt, der speziell auf den rauen Haftvermittlerschichten beobachtet wurde, konnte mit einer geringen (wenige µm) Oberflächenanreicherung von Al durch die Wärmebehandlung in Hochvakuum vor dem Spritzen der APS WDS unterdrückt werden. Im Bezug auf die experimentellen Parameter, wurde im Gegensatz zu EB-PVD WDS beobachtet, dass das thermische Zyklieren der APS-WDS zu einer Lebensdauerverkürzung führt und der Wasserdampfgehalt in der Testatmosphäre keinen großen Einfluss auf die Lebensdauer der APS WDS hat. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit deuten darauf hin, dass die Lebensdauer der EB-PVD sowie APS WDS Systeme mit MCrAlY Haftvermittlerschichten bei den zu erwarteten Betriebstemperaturen von 1000°C kürzer sein wird, als die von der Industrie gewünschte Lebensdauer von 25 000 Stunden. Unter diesen Bedingungen wird die Anwendung von NiPtAl oder überplatinierten MCrAlY Haftvermittlerschichten eine Option sein, um die erforderliche Lebensdauerverlängerung der WDS zu erzielen, die sogar die relativ hohen Kosten des Pt-Metalls rechtfertigen könnte.

Einrichtungen

  • Lehrstuhl für Werkstoffchemie [521110]
  • Lehrstuhl für Werkstoffe der Energietechnik (FZ Jülich) [413410]
  • Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik [520000]

Identifikationsnummern