Berührungslose Charakterisierung von Schichtsystemen bei hohen Temperaturen zur Erfassung von infrarot-optischen und morphologischen Größen

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1 Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.v. Berührungslose Charakterisierung von Schichtsystemen bei hohen Temperaturen zur Erfassung von infrarot-optischen und morphologischen Größen J. Manara, M. Zipf, T. Stark, M. Arduini, J.Hartmann, H.-P. Ebert Jahrestagung 2016 des Arbeitskreises Thermophysik Wien, April 2016

2 GLIEDERUNG Motivation - Erhöhung der Effizienz von Kraftwerksturbinen - Zerstörungsfreie Prüfung von Schichtsystemen Berührungslose Charakterisierung - Infrarot-optische Eigenschaften - Morphologische Größen Zusammenfassung und Ausblick - Schichtcharakterisierung - Strukturanalyse

3 MOTIVATION Erhöhung der Effizienz von Kraftwerksturbinen durch keramische Wärmedämmschichten (Thermal Barrier Coatings, TBCs) Wesentliche Größen: Temperatur Wärmetransport durch Strahlung (infrarot-optische Größen) Struktur (morphologische Größen) Siemens Siemens

4 MOTIVATION Strahlungstransport in Keramiken IR-Strahlung Oberfläche Streuzentrum Plasma-Beschichtung Korn- oder Phasengrenzen Substrat Delamination der Schicht EB-PVD-Beschichtung

5 INFRAROT-OPTISCHE CHARAKTERISIERUNG: VORGEHEN Mess- und Modellierungsmöglichkeiten des Strahlungstransports

6 ULBRICHTKUGEL Bestimmung der infrarot-optischen Kenngrößen bei Raumtemperatur Probe Detektor Detektor Probe einfallende Strahlung einfallende Strahlung Transmissionsmessung Reflexionsmessung

7 BLACKBODY BOUNDARY CONDITIONS APPARATUR (BBC) Messung 1 Messung 2 T V = T H = T U T V = T U T H = T 2 Detektor Detektor T P T U T P Emission Reflexion Transmission ( 2) i T, T T T I T T I T T I T Messung 2 P U, T T T I T T I T T I ( 1) imessung 1 P, U P S P P S U P S T U 2 P S P P S U P S 2

8 STRUKTURANALYSE Charakterisierung von Al 2 O 3 mit einer Porosität von = 2 % Al 2 O 3 d Transmissionsgrad T gh d = 1 mm d = 2 mm d = 3 mm Reflexionsgrad R gh d = 1 mm d = 2 mm d = 3 mm Wellenlänge / µm Wellenlänge / µm

9 STRUKTURANALYSE Charakterisierung von Al 2 O 3 mit einer Porosität von = 2 % Al 2 O 3 d Streukoeffizient S* / mm d = 1 mm d = 2 mm d = 3 mm Wellenlänge / µm

10 STRUKTURANALYSE Charakterisierung von Al 2 O 3 mit einer Porosität von = 2 % Streukoeffizient S* / mm d = 1 mm d = 2 mm d = 3 mm Streukoeffizient S* / mm Messung: Probensatz 1 mit = 2 % Fit: Probensatz 1 mit D = 0.4 µm Messung: Probensatz 2 mit = 2 % Fit: Probensatz 2 mit D = 2.2 µm Wellenlänge / µm Wellenlänge / µm

11 CHARAKTERISIERUNG DES STRAHLUNGSTRANSPORTS Freistehende TBC: Y 2 O 3 -teilstabilisiertes ZrO 2 (PYSZ) d PYSZ Substrat Wärme- behandlung Transmissionsgrad T gh Beschichtung nach 100 Stunden bei 1100 C Beschichtung ohne Wärmebehandlung Wellenlänge / µm d = 0.3 mm Messung bei 800 C Strahlungs-WLF rad / W m K) Festkörper-WLF solid (T = 1200 C) = 1.2 W/(m K) Beschichtung nach 100 Stunden bei 1100 C Beschichtung ohne Wärmebehandlung Temperatur T / C d = 0.3 mm

12 ERFASSUNG TEMPERATURGRADIENT TBC auf Substrat: Strukturänderung durch Delamination Schichtablösung durch Thermally Grown Oxide (TGO) J.A. Nychka, D.R. Clarke, Surface and Coatings Technology, (2001)

13 ERFASSUNG TEMPERATURGRADIENT Saphir auf Substrat: ohne und mit Spalt FTIR FTIR 1.0 NIR (1 µm) 1 mm Saphir Substrat MIR (10 µm) Transmissionsgrad T gh Saphir NIR (1 µm) Saphir Substrat MIR (10 µm) 1 mm 1 mm Wellenlänge / µm

14 ERFASSUNG TEMPERATURGRADIENT Saphir auf Substrat: ohne und mit Spalt FTIR FTIR 1000 NIR (1 µm) 1 mm Saphir Substrat MIR (10 µm) Temperatur T Saphir / C Saphir ohne Spalt Saphir mit Spalt NIR (1 µm) Saphir Substrat MIR (10 µm) 1 mm 1 mm Temperatur T Substrat / C

15 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK Charakterisierung freistehender Schichten: infrarot-optische Eigenschaften - Apparaturen für Hochtemperaturmessungen Struktur bzw. Morphologie - Modellierung des Strahlungstransports Analyse von Schichtsystemen: zerstörungsfreie Prüfung bei hohen Temperaturen Modellierung von Mehrschichtsystemen

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