Spannungsinduziertes Versagen in Hochtemperaturschichtsystemen

Die keramischen Komponenten von Hochtemperaturschichtsystemen unterliegen aufgrund der Diskrepanz der thermischen Ausdehnungskoezienten und systemspezischer Degradationsprozesse spannungsinduziertem Versagen. Zur Identikation der dem Versagen zu Grunde liegenden Mechanismen und der Bewertung der Verlasslichkeit der Schichtsysteme werden Lebensdauermodelle erstellt. Die Berechnung der Haltbarkeit atmospharisch plasmagespritzter Warmedammschichten unter thermozyklischer Belastung wurde uber ein probabilistisches Lebensdauermodell realisiert, in dessen Algorithmus Finite-Elemente-Analysen der thermisch induzierten Spannungsfelder integriert sind. Die numerischen Berechnungen erfolgen unter Berucksichtigung des thermisch induzierten Wachstums einer Oxidschicht, des Sinterns des keramischen Topcoats, der Spannungsrelaxation und der Mikrostruktur an der Grenz ache des Topcoats zu den metallischen Schichten. Die Grenz ache wird in berechnungsezienten zweidimensionalen Modellen durch periodische Funktionen approximiert, die ausgehend von experimentell ermittelten Ober achenrauheitsparametern parametrisiert werden. Die Resultate von Spannungsmessungen in den gewachsenen Oxidschichten uber photoinduzierte Lumineszenz- Spektroskopie validieren die Implementierung der strukturmechanischen Randbedingungen, der Materialparameter und die Methodik der Mikrostruktur-Approximation fur das Teilsystem ohne Topcoat. In Bezug auf die fur Lebensdauermodellierung relevanten Aspekte zeigen die unter Verwendung der Grenz achennaherungsfunktionen berechneten Spannungsverteilungen Ubereinstimmung zu Verteilungen aus dreidimensionalen Finite-Elemente-Analysen, deren realitatsnahe Grenz achenstrukturen aus Topographiemessungen importiert wurden. Das Lebensdauermodell basiert auf einer Kalibrierung uber Vorgabe einer experimentellen Lebensdauerverteilung, deren zugeordneter zyklenabhangiger Kalibrierungsparameter den Eekt der Bruchzahigkeitszunahme mit steigender Risslange re ektiert. Die Spannungsverteilungen werden in einer bruchmechanischen Analyse zur Berechnung von unterkritischem Rissfortschritt verwendet. Der Vergleich der transienten Energiefreisetzungsrate zu deren risslangenabhangigen kritischen Referenzwert resultiert in einer kumulativen Wahrscheinlichkeitsverteilung der Systemlebensdauer in Abhangigkeit der Zyklierbedingungen. Die berechneten Erwartungswerte und die Standardabweichungen der Lebensdauern geben experimentell in Abhangigkeit der Grenz- achentemperatur bestimmte Lebensdauern korrekt wieder, wobei als Hauptversagensmechanismus die Inversionsrate des Spannungsfeldes identiziert wurde, die unmittelbar mit der Wachstumsrate der Oxidschicht korreliert. Im Hinblick auf weitere Ein ussfaktoren auf die Systemlebensdauer wurde eine Sensitivitatsanalyse durchgefuhrt. Der Lebensdauermodell-Algorithmus wurde abstrahiert und auf das spannungsinduzierte Versagen von Chromverdampfungsschutzschichten, die in Stacks aus Hochtemperaturbrennstozellen eingesetzt werden, zur Erstellung eines konzeptionellen Modellansatzes angewendet.