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, 25.-26. April 2016
GLIEDERUNG Motivation - Erhöhung der Effizienz von Kraftwerksturbinen - Zerstörungsfreie Prüfung von Schichtsystemen Berührungslose Charakterisierung - Infrarot-optische Eigenschaften - Morphologische Größen Zusammenfassung und Ausblick - Schichtcharakterisierung - Strukturanalyse
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
MOTIVATION Strahlungstransport in Keramiken IR-Strahlung Oberfläche Streuzentrum Plasma-Beschichtung Korn- oder Phasengrenzen Substrat Delamination der Schicht EB-PVD-Beschichtung
INFRAROT-OPTISCHE CHARAKTERISIERUNG: VORGEHEN Mess- und Modellierungsmöglichkeiten des Strahlungstransports
ULBRICHTKUGEL Bestimmung der infrarot-optischen Kenngrößen bei Raumtemperatur Probe Detektor Detektor Probe einfallende Strahlung einfallende Strahlung Transmissionsmessung Reflexionsmessung
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
STRUKTURANALYSE Charakterisierung von Al 2 O 3 mit einer Porosität von = 2 % Al 2 O 3 d 1.0 1.0 Transmissionsgrad T gh 0.8 0.6 0.4 0.2 d = 1 mm d = 2 mm d = 3 mm Reflexionsgrad R gh 0.8 0.6 0.4 0.2 d = 1 mm d = 2 mm d = 3 mm 0.0 0.5 1 5 10 18 Wellenlänge / µm 0.0 0.5 1 5 10 18 Wellenlänge / µm
STRUKTURANALYSE Charakterisierung von Al 2 O 3 mit einer Porosität von = 2 % Al 2 O 3 d Streukoeffizient S* / mm -1 50 20 10 5 2 d = 1 mm d = 2 mm d = 3 mm 1 0.5 1 2 3 4 5 Wellenlänge / µm
STRUKTURANALYSE Charakterisierung von Al 2 O 3 mit einer Porosität von = 2 % Streukoeffizient S* / mm -1 50 20 10 5 2 d = 1 mm d = 2 mm d = 3 mm 1 0.5 1 2 3 4 5 Streukoeffizient S* / mm -1 50 20 10 5 2 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 1 0.5 1 2 3 4 5 Wellenlänge / µm Wellenlänge / µm
CHARAKTERISIERUNG DES STRAHLUNGSTRANSPORTS Freistehende TBC: Y 2 O 3 -teilstabilisiertes ZrO 2 (PYSZ) d PYSZ Substrat Wärme- behandlung Transmissionsgrad T gh 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 Beschichtung nach 100 Stunden bei 1100 C Beschichtung ohne Wärmebehandlung 0.0 2 3 4 5 6 7 Wellenlänge / µm d = 0.3 mm Messung bei 800 C Strahlungs-WLF rad / W m K) 0.4 0.3 0.2 0.1 Festkörper-WLF solid (T = 1200 C) = 1.2 W/(m K) Beschichtung nach 100 Stunden bei 1100 C Beschichtung ohne Wärmebehandlung 0.0 0 200 400 600 800 1000 1200 Temperatur T / C d = 0.3 mm
ERFASSUNG TEMPERATURGRADIENT TBC auf Substrat: Strukturänderung durch Delamination Schichtablösung durch Thermally Grown Oxide (TGO) J.A. Nychka, D.R. Clarke, Surface and Coatings Technology, 146-147 (2001) 110-116
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 0.8 0.6 0.4 0.2 Saphir NIR (1 µm) Saphir Substrat MIR (10 µm) 1 mm 1 mm 0.0 0.5 1 5 10 18 Wellenlänge / µm
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 800 600 400 200 Saphir ohne Spalt Saphir mit Spalt NIR (1 µm) Saphir Substrat MIR (10 µm) 1 mm 1 mm 0 600 1200 Temperatur T Substrat / C
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
jochen.manara@zae-bayern.de