MARCKO-Waermedaemmschichten. Methoden zur Lebensdauervorhersage von Waermedaemm- und Oxidationsschutzschichten Schlussbericht

The project was carried out by MTU, Rolls-Royce and Siemens as industrial partners and FZ-Juelich, DLR and DECHEMA as institutes for the purpose of developing a life model for monocrystalline gas turbine blades with metal coatings. This model was to provide reliable information on the life of the ceramic and coupling agent layers. This report describes the activities of the Karl-Winnacker Institute of DECHEMA e.V.: Isothermal oxidation experiments were carried out in the laboratory at 950-1100 degrees centigrade, followed by a characterisation of the oxidation characteristics on the basis of metallographic sections. Particular interest was taken in the development of the TGO (thermally grown oxide) layers, aluminium depletion in the bond coat on the oxide side, and physical defects in the form of pores, pore populations and microcracks within the TGO or in its immediate vicinity. For the first time ever, these microcracks were classified post-experimentally using SEM pictures, and the maximum dimensions of the cracks were quantified as a function of ageing. Kinetics were established for all these parameters. Growth-induced lateral stresses in the TGO were assessed on the basis of the bending of a thin metal foil of pure bond coat material. In the framework of a sub-project carried out by Rolls-Royce, the mechanical characteristics of APS-sprayed thermal insulation layers was investigated in uniaxial pressure experiments on free, hollow cylindrical annular probes. On the one hand, their thermoelastic characteristics were established using path-controlled cyclic load tests; on the other hand, the thermoplastic characteristics were established using load-controlled creep experiments. Samples were used both in the initial and the sintered state in order to assess the effect of sintering, which was described on the basis of porosity as measured in ceramographic sections. The methods and results are presented in this report.In diesem Verbundprojekt, an dem MTU, Rolls-Royce und Siemens als Industriepartner und FZ-Juelich, DLR und DECHEMA als Institute beteiligt waren, wurden Arbeiten zur Entwicklung eines Lebensdauermodells fuer einkristalline, keramisch beschichtete Gasturbinenschaufeln durchgefuehrt. Dieses Modell soll zuverlaessige Voraussagen ueber die Zeitdauer der Haltbarkeit der Keramik und der Haftvermittlerschicht unter verschiedenen Betriebsbedingungen ermoeglichen. Die Aufgabe des Karl-Winnacker-Instituts der DECHEMA e.V. im Rahmen dieses Verbundprojektes bestand zunaechst in isothermen Oxidationsversuchen, die bei 950 C-1100 C an Laborluft durchgefuehrt wurden. Anschliessend wurde das Oxidationsverhalten anhand von metallographischen Schliffen charakterisiert. Dabei wurde besonderes Augenmerk auf die Entwicklung der TGO (Thermally Grown Oxide)-Schichtdicken, der oxidschichtseitigen Aluminiumverarmung im Bond Coat sowie der physikalischen Defekte in Form von Poren, Porenpopulationen und Mikrorissen innerhalb bzw. in unmittelbarer Naehe der TGO gelegt. Erstmalig wurden diese Mikrorisse postexperimentell anhand von rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen klassifiziert und die maximalen Abmessungen solcher Risse in Abhaengigkeit der Auslagerungsdauer quantifiziert. Fuer alle diese Parameter wurden Kinetiken ermittelt. Weiterhin wurden wachstumsinduzierte, laterale Spannungen in der TGO anhand der Durchbiegung einer duennen Metallfolie aus reinem Bond Coat Material bestimmt. Im Rahmen eines Unterauftrags von Projektpartner Rolls-Royce wurde das mechanische Verhalten APS-gespritzter Waermedaemmschichten mittels uniaxialer Druckversuche an freistehenden, hohlzylindrischen Ringproben anwendungstypischer Dicke bei Raum- und Anwendungstemperatur untersucht. Einerseits wurde das thermoelastische Verhalten mittels weggeregelter, zyklischer Belastungsversuche ermittelt, andererseits wurde das thermoplastische Verhalten anhand von lastgeregelten Kriechexperimenten bestimmt. Um den Einfluss einer vorhergehenden Temperaturbeaufschlagung und damit einer Versinterung der Keramik auf das mechanische Verhalten quantifizieren zu koennen, kamen sowohl Proben im Ausgangszustand als auch gesinterte Proben zum Einsatz. Das Sinterverhalten wurde dabei ueber die Porositaet, gemessen an keramographischen Schliffen, beschrieben. Die Vorgehensweise und die Ergebnisse der am Karl-Winnacker-Institut der DECHEMA durchgefuehrten Arbeiten werden im vorliegenden Bericht ausfuehrlich dargestellt. (orig.)Available from TIB Hannover: F03B958 / FIZ - Fachinformationszzentrum Karlsruhe / TIB - Technische InformationsbibliothekSIGLEBundesministerium fuer Bildung und Forschung, Berlin (Germany)DEGerman