Ermittlung und Vorhersage lebensdauerrelevanter, mechanischer Eigenschaften betriebsähnlich belasteter, plasmagespritzter Wärmedämmschichten

Eine weitere Erhohung der Betriebstemperatur stationarer Gasturbinen bei gleichzeitiger Kuhllufteinsparung wird derzeit noch von der Lebensdauer der zum Schutze ihrer metallischen Komponenten applizierten keramischen Warmedammschichten (WDS) begrenzt. Um die Ursachen ihres Versagens insbesondere bei langerem stationaren Betrieb besser verstehen und somit den drohenden Funktionsverlust verlasslich prognostizieren zu konnen, ist die genaue Kenntnis des thermomechanischen Materialverhaltens unabdingbar. In dieser Arbeit sollten Messmethoden zur bidirektionalen mechanischen Charakterisierung plasmagespritzter WDS neu- und weiterentwickelt sowie sorgfaltig validiert werden. Ziel war es, damit die Anderung von Steifigkeit und Risswiderstand Yttrium-teilstabilisierter Zirkonoxidschichten (YSZ) in Abhangigkeit der thermomechanischen Belastungshistorie zu erfassen. Ein Teil der Untersuchungen fokussierte auf den bisher wenig erforschten Einfluss des gezwungenen Sinterzustandes, wie er auch im Gasturbinenbetrieb vorliegt. Folgende Testverfahren wurden speziell fur 0,4–1,2 mm dicke Schichtproben angepasst: 3-Punkt-Verbund-Biegung (3PCB) und Doppel-Kragbalken-Test (TDCB) bezuglich der horizontalen sowie Miniaturisierter Druckversuch (MCT) und SENUD-Test (einseitig gekerbter Streifen mit uniformen Randverschiebungen) fur die vertikale Orientierung. Die Genauigkeit der Verfahren wurde anhand numerischer Fehleranalysen sowie experimenteller Validierungsmessungen an Modellmaterialien mit aus der Literatur und Standardtests bekannten Eigenschaftsniveaus bewertet. Die Methoden lieferten valide und reproduzierbare Messwerte mit Abweichungen bis maximal +/-15 % von den Referenzdaten. Abgeloste WDS, die nach einer isothermen Warmebehandlung (1000–1300°C) getestet wurden, wiesen Eigenschaftswerte etwa 0–30 % oberhalb verfugbarer Literaturreferenzdaten auf. Durch ein gezwungenes Sintern auf keramischen Substraten – verbunden mit aufgepragten planaren Zugdehnungen bis 0,4 % – war eine signifikante Hemmung der thermisch aktivierten Eigenschaftsanderung zu verzeichnen. Bezogen auf das freistehende Sintern entspricht dieser Effekt – je nach betrachteter Kenngrose – einer Temperaturverminderung um bis zu 155 K bzw. einer maximal 12 % hoheren Arrhenius-Aktivierungsenergie. Mittels Darstellung der Ergebnisse uber dem Zeit-Temperatur-Parameter nach Hollomon-Jaffe konnte der Risswiderstand einer fur 6600 h in einer Gasturbinenbrennkammer belasteten WDS abgeschatzt werden. Dabei ergab sich eine max. 33-prozentige Abweichung vom experimentell ermittelten Niveau. Aufgrund zahlreicher Vertikalrisse im Materialvolumen erwies sich der Ansatz bezuglich Schichtsteifigkeit jedoch als ungeeignet. Nach langerer Hochtemperatur-Exposition war bei den im Labor vorbelasteten Proben eine Angleichung zwischen horizontalem und vertikalem Risswiderstand erkennbar. Insgesamt leistet die Arbeit einen Beitrag zu einem besseren Verstandnis der im Material ablaufenden Degradationsprozesse, um zukunftig WDS-Systeme realitatsnah zu modellieren und ihre Mindestlebensdauer verlasslich abzuschatzen. Die entwickelten Methoden konnen zudem als Basis fur eine standardisierte Bestimmung der (bruch-)mechanischen Eigenschaften plasmagespritzter Keramikschichten dienen.