Versagensverhalten plasmagespritzter Mg-Al-Spinell-Schichten unter Thermozyklierung

Eine Möglichkeit den Wirkungsgrad in Gasturbinen zu steigern, ist der Einsatz von Einlaufschichten. Läuft die Turbine zum ersten Mal an, so laufen die Schaufeln, die sich aufgrund von Temperatur und Fliehkraft ausdehnen, in die Beschichtung ein. Somit werden Leckagen der strömenden Gase in der Turbine minimiert. Folglich ermöglichen Einlaufschichten entscheidende Vorteile, wie z. B. einen verbesserten Wirkungsgrad und geringeren Brennstoffverbrauch. Diese Arbeit entstand im Rahmen eines Industrieprojektes mit Rolls-Royce Deutschland. Bei den auf ihre Zyklierfähigkeit getesteten Einlaufschichtsystemen handelte es sich um Mehrschichtsysteme, bestehend aus einer Vakuum plasmagespritzten Korrosionsschutz- bzw. Haftvermittlerschicht (BC - Bondcoat) und einer keramischen Wärmedämmschicht (TBC - thermal barrier coating) als Doppelschichtsystem auf einem Substrat aus einer Superlegierung. Das atmosphärisch plasmagespritzte Doppelschichtsystem bestand aus einer Y-stabilisierten-Zirkonoxidschicht und einer Mg-Al-Spinell-Schicht. Es ließen sich bei der Zyklierung mit Brenner unter Temperaturgradient zwei Schädigungsarten unterscheiden. Zum einen kam es zu einem Abplatzen in der Nähe des Interfaces YSZ / Mg-Al-Spinell oder zum anderen zu einem Abplatzen oberflächennaher Bereiche, je nach den eingesetzten Plasmaspritzbedingungen. Ziel der Arbeit war die Klärung dieser Versagensmechanismen. Durch Analyse der Mikrostruktur wurde zunächst der Phasenbestand nach der Beschichtung und Zyklierung bestimmt. Während der Zyklierung wird thermische Energie zugeführt und es kommt bei Al2O3-reichem Pulver zur Ausbildung des thermodynamischen Gleichgewichtes unter Bildung von α -Al2O3 und CaO*6Al2O3 (CaO als Verunreinigung im Pulver). Im Laufe der Heizphase der Zyklierung bildet sich an der Oberfläche der Mg-Al-Spinell-Schicht eine dichte Schicht aus. Diese besteht aus Mg-Al-Spinell und einzelnen CaO*6Al2O3-Nadeln. Nach durchgeführten Spannungsberechnungen steht die Oberfläche der Mg-Al-Spinell- Schicht während der Heizphase unter Druckspannung. Experimente in einer Heißpresse bestätigten die Auswirkungen von Druckspannung auf die Verdichtung. Unterhalb dieser dichten Schicht entstehen während der Zyklierung Risse. Als Ursache für die Rissentstehung und als Folge das lamellare Abplatzen von der Oberfläche kann das Erreichen der kritischen Energiefreisetzungsrate im Schichtsystem angesehen werden. Im Laufe der Übertragung der Beschichtung in die Industrie wurden die Spritzparameter an die Anforderungen der industriellen Schichtherstellung angepasst. Die Ergebnisse der Arbeit legen nahe, dass bei zu niedrigen Beschichtungstemperaturen (<200°C) eine zu geringe Haftung zwischen den einzelnen Splats der Mg-Al-Spinell-Schicht auftritt. Dadurch können Risse in der Nähe des YSZ / Mg- Al-Spinell-Interfaces wachsen, die schließlich zum großflächigen Abplatzen der Schicht führe.