EFFIZIENZ-STEIGERUNG Neue Wärmedämmschichtsysteme für Flugzeug- und Gasturbinen

Bild Forschungsprojekt

Wärmedämmschichtsysteme (engl. Thermal Barrier Coating, TBC) auf Basis von Yttrium-stabilisiertem Zirkonoxid (YSZ) werden seit mehreren Jahrzehnten in Gasturbinen und Flugzeugtriebwerken eingesetzt, um eine höhere Effizienz der Turbine und einen reduzierten CO2-Ausstoß zu erreichen.

Allerdings ist das Standardmaterial YSZ inzwischen an der oberen Einsatzgrenze von ca. 1.250 °C angekommen. Oberhalb dieser Temperatur finden unerwünschte Phasenumwandlungen statt, und das Material unterliegt einer gesteigerten Neigung zu »wachsen«, zu versintern. Um die Gastemperatur in der Turbine weiter anheben zu können, werden daher innovative Lösungen benötigt.

Ein vielversprechender Ansatz ist die Verwendung von Keramiken mit Pyrochlor-Struktur, wie z.B. Gadoliniumzirkonat (Gd2Zr2O7, GZO). Dieses zeichnet sich durch exzellente Hochtemperaturstabilität und geringe Wärmeleitfähigkeit aus, ist jedoch mechanisch nicht so stabil (geringere Bruchzähigkeit) und hat einen geringeren Wärmedehnkoeffizienten als YSZ. Einlagige TBC-Systeme aus GZO sind folglich nicht so leistungsfähig wie Systeme aus YSZ. Im Vorhaben »Bi-Layer Wärmedämmschichtsysteme« werden daher doppellagige Wärmedämmschichten mit einer unteren Lage aus YSZ und einer oberen Lage GZO untersucht, mit dem Ziel, die Temperatur in der Turbine über 1.400 °C anzuheben.

Schädigungsverhalten unter thermischer und mechanischer Beanspruchung

In diesem Forschungsprojekt, das am DECHEMA-Forschungsinstitut (DFI) in Kooperation mit dem Institut für Energie und Klimaforschung (IEK-1) des Forschungszentrums Jülich und dem Fachgebiet und Institut für Werkstoffkunde (IfW) der TU Darmstadt durchgeführt wird, wird das Schädigungsverhalten dieser neuartigen TBC-Systeme unter thermischer und mechanischer Beanspruchung eingehend untersucht.

Darüber hinaus werden am IEK-1 Spritzparameter ermittelt, mit denen reproduzierbar GZO Schichten mit optimierten Eigenschaften (z.B. Porosität und Schichthaftung) erzeugt werden können. Am DFI steht die Untersuchung der Schichtschädigung im Vordergrund. Es wurde das Risswachstum bei isothermer und zyklischer Beanspruchung studiert und ein bruchmechanisches Lebensdauermodell für Bi-Layer Wärmedämmschichten entwickelt. Dieses beschreibt die kritische Dehnung (die zur Schädigung der TBC führt) als Funktion der Größe von physikalischen Defekten in der keramischen Schicht.

Zur Validierung des Modells wurden 4-Punkt Biegeversuche an beschichteten Flachproben durchgeführt, um die kritische Dehnung experimentell zu bestimmen. Aus dem Modell lassen sich Lastgrenzen der Beschichtungen ableiten, oder es kann bei vorgegebener Last die Restlebensdauer abgeschätzt werden.

In der zweiten Projektphase wird nun der Übergang von planen Geometrien zu gekrümmten Oberflächen und komplexen Bauteilen vollzogen. Derzeit wird der Einfluss eines Krümmungsradius auf die Risswachstumskinetik anhand von Rundproben mit zwei verschiedenen Radien und einem Modellkörper mit Schaufelähnlicher Geometrie untersucht. Zudem ist ein Finite Elemente Modell in Entwicklung, um an komplexen Bauteilen den Ort des Versagens vorherzusagen.

Dr. Mario Rudolphi

Bildquelle(n):www.siemens.com/press

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