Entwicklung neuer oxidischer Wärmedämmschichten für Anwendungen in stationären und Flug-Gasturbinen

Vaßen, Robert

Habilitation, Postdoctoral Thesis

Entwicklung neuer oxidischer Wärmedämmschichten für Anwendungen in stationären und Flug-Gasturbinen

Vaßen, R. (Corresponding Author)FZJ*

2004
Forschungszentrum Jülich GmbH Zentralbibliothek, Verlag Jülich
ISBN: 3-89336-367-X

Jülich : Forschungszentrum Jülich GmbH Zentralbibliothek, Verlag, Schriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Energietechnik/Energy Technology 33, 137 S. (2004) = Universität Bochum, Habil., 2004

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Abstract: Der Wirkungsgrad moderner Gasturbinen lässt sich durch den Einsatz von Wärmedämmschicht (WDS)-Systemen beachtlich steigern. Die konventionellen WDS-Systeme auf Basis von Yttrium teilstabilisiertem Zirkonoxid (YSZ) sind jedoch aufgrund ihrer eingeschränkten Temperaturstabilität nicht für höchste Anwendungstemperaturen oberhalb etwa 1200°C geeignet. Deshalb wurden in der vorliegenden Arbeit neue, oxidische Wärmedämmschichtmaterialien auf ihre Eignung getestet und bewertet. Zu Beginn der Arbeit wurde ein Anforderungsprofil für die neuen Wärmedämmschichtmaterialien erarbeitet und mit einem Ranking versehen. Wichtige Anforderungen sind: gute Oxidationsbeständigkeit, gute Phasenstabilität, hoher Schmelzpunkt, niedrige Wärmeleitfähigkeit, geringe Sinterneigung, hoher thermischer Ausdehnungskoeffizient, niedriges Elastizitätsmodul, hohe Bruchzähigkeit, gutes Thermozyklierverhalten, chemische Beständigkeit, Korrosionsbeständigkeit, gutes Erosionsverhalten, günstiges thermomechanisches Verhalten, niedrige Materialkosten sowie gute Herstellbarkeit. Eine ausführliche Literaturstudie zeigte, dass besonders hoch-schmelzende Perowskite und Pyrochlore als Wärmedämmschichtmaterialien geeignet erscheinen. Da jedoch thermophysikalische Daten dieser Materialien nur begrenzt verfügbar waren, wurde eine Vielzahl neuer Materialien synthetisiert und thermophysikalische Eigenschaften gemessen. Bei den Perowskiten waren das SrZrO$_{3}$, BaZrO$_{3}$ und LaYbO$_{3}$. Dabei zeigte SrZrO$_{3}$ im Hinblick auf die Wärmedämmschichtanwendung die besten Eigenschaften. Besonders der thermische Ausdehnungskoeffizient ist mit fast 11*10$^{-6}$ /K sehr hoch. Bei den Pyrochloren diente La$_{2}$Zr$_{2}$O$_{7}$ als Basis für die Entwicklung. Durch Dotierung dieses Materials mit Seltenerdelementen konnten z. T. erhebliche Verbesserungen der thermophysikalischen Eigenschaften erreicht werden. So zeigt Gadolinium dotiertes La$_{2}$Zr$_{2}$O$_{7}$ thermische Leitfähigkeiten unter 1 W/m/K. Reines Gd$_{2}$Zr$_{2}$O$_{7}$ besitzt einen hervorragenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 10.5*10$^{-6}$/K. Aus den Erfolg versprechenden Materialien wurden über das Plasmaspritzen Wärmedämmschichtsysteme hergestellt und diese umfangreichen Tests unterzogen. In thermischen Zykliertests zeigte sich, dass die Proben aus den neuen Materialien frühzeitig versagten. Dieser Befund führte zur Entwicklung des Doppellagen-Konzepts. Bei diesem wird eine YSZ–Schicht direkt auf die Haftvermittlerschicht aufgebracht und dann mit einer zweiten Lage aus dem neuen Wärmedämmschichtmaterial versehen. Diese Systeme zeigten in thermischen Zykliertests bei Temperaturen oberhalb 1300°C eine dem Standard-System aus YSZ weit überlegene Temperaturbeständigkeit. Die Schädigung wurde dabei durch die Oxidation der Haftvermittlerschicht ausgelöst und nicht durch eine Schädigung der Keramik. Dementsprechend ist bei den untersuchten Doppellagensystemen aus YSZ und Pyrochloren eine noch höhere Oberflächentemperatur bzw. eine weitere Verbesserung der Lebensdauer durch die Verwendung verbesserter Bondcoats möglich. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass besonders das La$_{2}$Zr$_{2}$O$_{7}$-basierte Doppellagen- System sehr viel versprechend ist. In vielen Belangen ist dieses System dem YSZ überlegen.

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