Entwicklung eines mechanismenbasierten Lebensdauermodells für Bi-Layer-Wärmedämmschichtsysteme, Teil 2

Keramische Doppellagen-Wärmedämmschichtsysteme auf der Basis von teilstabilisiertem Zirkonoxid (YSZ) und einer Deckschicht aus Gadoliniumzirkonat (GZO) bieten derzeit das größte Potential, die Heißgastemperatur im Vergleich zu konventionellen monolagigen Wärmedämmschichten signifikant zu erhöhen. In der ersten Projektphase wurden folgende Ziele verfolgt: (i) Entwicklung einer zuverlässigen Herstellungsroute für GZO Beschichtungen, (ii) Ermittlung grundlegender physikalischen Eigenschaften, (iii) Identifizierung der relevanten Schädigungsmechanismen, (iv) Charakterisierung der Schädigungsentwicklung und der mechanischen und mikrostrukturellen Eingangsgrößen für die Lebensdauermodellierung und (v) Entwicklung eines Lebensdauermodells (LDM).

Nach einer umfangreichen Parameterstudie konnten Doppellagen-Systeme mit stöchiometrischem GZO und der gewünschten Mikrostruktur hergestellt werden, die eine deutlich höhere thermozyklische Beanspruchbarkeit als YSZ Schichten aufweisen. Jedoch hängen die Schichteigenschaften entscheidend von den Ausgangs- und den Prozessbedingungen ab. Daher besteht ein wesentliches Interesse, ein Werkzeug zur Qualitätssicherung des Herstellungsprozesses zu entwickeln, das es ermöglicht, zuverlässige Schichten mit einem definierten Eigenschaftsfenster herzustellen. Weiter soll die Charakterisierung der Doppellagen-Schichten nach Beanspruchung im Temperaturgradienten sowie nach Auslagerung mit Dehnungsbehinderung vervollständigt werden.

Auf Basis der relevanten Schädigungsmechanismen und der Schädigungsentwicklung wurde das LDM entsprechend weiterentwickelt und angepasst. Weiter wurden die für das Modell relevanten mechanischen und bruchmechanischen Parameter bestimmt. Das Modell ermöglicht es nun, die kritische Dehnung bis Versagen abzubilden und im Abgleich mit Beanspruchungszyklen eine Lebensdauerbewertung durchzuführen. Der Einfluss komplexer geometrischer Randbedingungen, wie sie an Turbinenbauteilen vorliegen, wird bisher noch nicht berücksichtigt. Die Geometrie kann jedoch die Spannungsverteilung und den Schädigungsverlauf entscheidend beeinflussen. Daher sollen nun Modellkörper mit unterschiedlichen Radien und komplexere Modellkörper mit konkaven und konvexen Oberflächen untersucht werden. So kann der Einfluss geom. Randbedingungen auf die Schichteigenschaften und Lebensdauer untersucht werden. Weiter soll eine Sensitivitätsanalyse der Eingangsgrößen des LDM auf die kritische Dehnung und Lebensdauer durchgeführt werden, um den Einfluss der Streuung der Schichteigenschaften zu quantifizieren. Auf Basis der Ergebnisse wird das LDM um einen Geometriefaktor erweitert. Der makroskopische Schädigungsparameter des LDM, die kritische Dehnung, ist dann eine Funktion der Beanspruchungsparameter und der geometrischen Randbedingungen. Schließlich sollen die berechneten Versagenskennlinien in ein Finite-Elemente-Modell integriert werden, um eine Vorhersage von Versagensort und Versagenszeit zu ermöglichen.

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