Verbesserung des Thermoschockverhaltens thermisch gespritzter Wärmedämmschichten durch Einsatz nanostrukturierter Spritzzusatzwerkstoffe

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Ulrich Buchholz
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1 Verbesserung des Thermoschockverhaltens thermisch gespritzter Wärmedämmschichten durch Einsatz nanostrukturierter Spritzzusatzwerkstoffe Stefanie Wiesner Prof. Dr.-Ing. Kirsten Bobzin Jugend forscht und schweißt

2 Inhalt Einleitung & Zielsetzung Experimentelle Durchführung Ergebnisse Thermoschockverhalten Stabilität Zusammenfassung Ausblick IOT, RWTH Aachen, Folie 2

Xylon Typischer Schichtaufbau: Wärmedämmschicht: Yttrium stabilisiertes Zirkoniumoxid (YSZ) (150 200 µm)

3 Einleitung Ziel: möglichst effektive Energienutzung in Turbinen Ansatz: Steigerung des Wirkungsgrades durch höhere Gaseintrittstemperaturen Lösung: Kombination von Wärmedämmschicht und Kühlsystemen Quelle: Xylon Typischer Schichtaufbau: Wärmedämmschicht: Yttrium stabilisiertes Zirkoniumoxid (YSZ) ( µm) Oxidationsschutz- & Haftschicht: MCrAlY (100 µm) 100 µm Grundwerkstoff: Ni-Basis- Legierung IOT, RWTH Aachen, Folie 3

Spritzpulver Mehrlagensystem mit einer Deckschicht aus Lanthanzirkonat (LZ) auf einer

4 Zielsetzung der Arbeit Verbesserung des Thermoschockverhaltens thermisch gespritzter Wärmedämmschichten: Veränderung der Mikrostruktur der Schichtsysteme Einsatz nanostrukturierter Spritzpulver Mehrlagensystem mit einer Deckschicht aus Lanthanzirkonat (LZ) auf einer YSZ-Zwischenschicht Intralamellare Risse Poren Interlamellare Intralamellare Poren Lamellen IOT, RWTH Aachen, Folie 4

Experimentelle Durchführung Nanostrukturierung durch Hochenergiekugelmahlen: 5 kg 3YSZ-Mahlkugeln und 500 g YSZ-/LZ-Pulver Mahlzyklus: 4 min bei 1.

5 Experimentelle Durchführung Nanostrukturierung durch Hochenergiekugelmahlen: 5 kg 3YSZ-Mahlkugeln und 500 g YSZ-/LZ-Pulver Mahlzyklus: 4 min bei U/min und 1 min bei 500 U/min Anschließendes Agglomerieren durch organische Binder Beschichtungen: NiCoCrAlY mittels Hochgeschwindigkeitsflammspritzens (HVOF) Wärmedämmschicht mittels Atmosphärischen Plasmaspritzens (APS): F4MB-XL (Sulzer Metco) TriplexPro-200 (Sulzer Metco): stabileres Plasma bessere Prozesskontrolle 2-Schichtsysteme 3-Schichtsysteme Name Referenz Nano Referenz System A System B Pulver YSZ orig. YSZ nano. YSZ/LZ orig. YSZ/LZ nano. YSZ/LZ nano. Brenner TriplexPro-200 TriplexPro-200 F4MB-XL F4MB-XL TriplexPro-200 Schichtdicke 200 µm 200 µm YSZ: 50 µm LZ: 150 µm YSZ: 50 µm LZ: 150 µm YSZ: 150 µm LZ: 50 µm IOT, RWTH Aachen, Folie 5

Experimentelle Durchführung Thermoschocktest Prüftemperaturen: 1.150 C und 1.

6 Experimentelle Durchführung Thermoschocktest Prüftemperaturen: C und C Haltezeit: 30 min Abkühlung mittels Druckluft auf Raumtemperatur Untersuchung der Schichtsysteme Metallographische Präparation von eingebetteten Probenquerschnitten Bestimmung der Schicht- und TGO-Dicke durch lichtmikroskopische Aufnahmen Bestimmung der Porosität mittels eines Bildanalyseprogrammes Bestimmung der Vickershärte HV0.1 (Prüflast: 100 g) Untersuchung der Schichtmaterialien Phasenstabilität von LZ mittels Röntgenanalyse Bestimmung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten (YSZ, LZ, NiCoCrAlY) IOT, RWTH Aachen, Folie 6

Ergebnisse Thermoschockverhalten 2-Schichtsysteme Referenz Thermoschockbeständigkeit: 1.150 C: 239 Zyklen 1.

300 C: 44 Zyklen Horizontale Risse nahe der TGO, gesinterte Gebiete im YSZ YSZ Pulver: YSZ orig.

7 Ergebnisse Thermoschockverhalten 2-Schichtsysteme Referenz Thermoschockbeständigkeit: C: 239 Zyklen C: 27 Zyklen Vergröberung der Poren und Ausbildung kleiner Risse Nano Thermoschockbeständigkeit: C: 540 Zyklen C: 44 Zyklen Horizontale Risse nahe der TGO, gesinterte Gebiete im YSZ YSZ Pulver: YSZ orig. Brenner: TriplexPro-200 Schichtdicke: 200 µm NiCoCrAlY TGO TGO TGO 1150 C 100 µm 50 µm 1300 C Pulver: YSZ nano. Brenner: TriplexPro-200 Schichtdicke: 200 µm IOT, RWTH Aachen, Folie 7

8 Ergebnisse Thermoschockverhalten Thermoschockbeständigkeit: nanostrukturierte Probe deutlich besser Härte: Referenz ist tendenziell härter Porosität: nanostrukturierte Probe poröser als Referenz TGO: ähnliche Dicken IOT, RWTH Aachen, Folie 8

300 C: 1 Zyklus) Bruch entlang des Übergangs zwischen YSZ und LZ Pulver: YSZ/LZ orig.

9 Ergebnisse - Thermoschockverhalten 3-Schichtsysteme - Referenz Versagen durch Abplatzen der kompletten Schicht nach wenigen Zyklen (1.150 C: 3 Zyklen, C: 1 Zyklus) Bruch entlang des Übergangs zwischen YSZ und LZ Pulver: YSZ/LZ orig. Brenner: F4MB-XL Dicke: YSZ: 50 µm; LZ: 150 µm LZ YSZ YSZ NiCoCrAlY NiCoCrAlY Nach Wärmeschocktest (1150 C) 50 µm Spritzzustand 100 µm IOT, RWTH Aachen, Folie 9

Ergebnisse Thermoschockverhalten 3-Schichtsysteme System A Thermoschockbeständigkeit: 1.150 C: 1 Zyklus 1.

Thermoschockbeständigkeit: 1.150 C: 160 Zyklen 1.

10 Ergebnisse Thermoschockverhalten 3-Schichtsysteme System A Thermoschockbeständigkeit: C: 1 Zyklus C: 1 Zyklus Vertikale Risse und gesinterte Gebiete im LZ, auch horizontale Risse im restlichen YSZ System B Thermoschockbeständigkeit: C: 160 Zyklen C: 21 Zyklen Rissnetzwerk im YSZ, leicht gesinterte Gebiete im LZ LZ Pulver: YSZ nano. Brenner: F4MB-XL Schichtdicke: YSZ: 50 µm; LZ: 150 µm YSZ 100 µm 50 µm 1300 C 1150 C Pulver: YSZ nano. Brenner: TriplexPro-200 Schichtdicke: YSZ: 150 µm; LZ: 50 µm IOT, RWTH Aachen, Folie 10

besser als 2-Schichtsystem Härte: Referenzsystem ist am

11 Ergebnisse Thermoschockverhalten Thermoschockverhalten: besser durch Nanostruktur & dünnere LZ-Schicht, jedoch nicht besser als 2-Schichtsystem Härte: Referenzsystem ist am härtesten TGO: dickste Schicht bei System B IOT, RWTH Aachen, Folie 11

12 Ergebnisse - Thermoschockverhalten Grund für die geringere Thermoschockbeständigkeit der 3-Schichtsysteme: deutlich unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten α Thermische Spannungen: Ermittelte thermische Ausdehnungskoeffizienten: LZ: 8, /K YSZ: 10, /K NiCoCrAlY: 18, /K Weitere thermische Ausdehnungskoeffizienten der Schichtsysteme: TGO: /K [1] Ni-Basis-Legierung: 29, /K [2] [1] T. Brevier: Technische Keramik; [2] W.L. Mankins, S. Lamb, Metals Handbook, 1996 IOT, RWTH Aachen, Folie 12

13 Ergebnisse Stabilität (1.300 C) La 2 Zr 2 O 7 YLaO 3 ZrO 2 Reines LZ (20 h) 33 Zyklen (16,5 h) 1 Zyklus (0,5 h) Spritzzustand LZ/YSZ-Probe: nach 33 Zyklen treten YLaO 3 - und ZrO 2 -Peaks auf Reine LZ-Probe bleibt unverändert LZ ist in Kombination mit YSZ bei C nicht phasenstabil IOT, RWTH Aachen, Folie 13

14 Zusammenfassung 2-Schichtsysteme Versagen nahe bzw. entlang des TGO Deutlich verbesserte Thermoschockbeständigkeit durch nanostrukturiertes Pulver 3-Schichtsysteme Versagen entlang der TGO; beim Referenzsystem entlang YSZ/LZ-Übergang Gute Thermoschockbeständigkeit der nanostrukturierten Probe mit dicker YSZ- Schicht Erreicht noch nicht die Beständigkeit der 2-Schichtsysteme Stabilität des LZ auf YSZ LZ ist bei C auf YSZ nicht phasenstabil: es bilden sich YLaO 3 und ZrO 2 IOT, RWTH Aachen, Folie 14

15 Ausblick 2-Schichtsysteme Optimierung des Gefüges besser für Hochtemperatureinsatz anderes MCrAlY-Material geringere Differenz der Ausdehnungskoeffizienten 3-Schichtsysteme Untersuchung der Stabilität des LZ-YSZ-Systems und Bestimmung der erlaubten Temperatur an der Grenzfläche zum YSZ Untersuchung weiterer Dreischichtsysteme IOT, RWTH Aachen, Folie 15

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Abkürzungen Symbolverzeichnis 1 Einleitung 1 2 Stand der Technik 3 I I Abkürzungen VII Symbolverzeichnis IX 1 Einleitung 1 2 Stand der Technik 3 2.1 Definition und Abgrenzung der thermischen Spritztechnik 3 2.2 Einteilung der thermischen Spritzverfehren 5 2.2.1 Lichtbogenspritzen