Betriebsnahe Prüfung von Wärmedämmschichtsystemen



 

Innen gekühlte Gasturbinenschaufel

Abb. 1: Innen gekühlte Gasturbinenschaufel

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Last- und Temperaturverlauf während eines Versuchszyklus

Abb. 2: Typischer thermomechanischer Lastzyklus
(Vergrößerung hier)

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Beschleunigtes Abplatzen der WDS im TGMF-Versuch
Abb. 3: Beschleunigtes Abplatzen der WDS im TGMF-Versuch(Vergrößerung hier)

 

Einführung

Wärmedämmschichten (WDS) mit einer keramischen Deckschicht werden in modernen Gasturbinen eingesetzt, um thermisch hoch belastete Komponenten vor Überhitzung zu schützen. So wird z.B. an innen gekühlten Gasturbinenschaufeln durch die keramische Deckschicht eine hohe Temperaturdifferenz zwischen der heißen keramischen Oberfläche und dem darunter liegenden Metall erzeugt. WDS Systeme bieten ein hohes Potential für eine Erhöhung der Gastemperatur am Turbineneintritt das jedoch nur ausgenutzt werden kann, wenn die WDS die extremen thermischen und mechanischen Ermüdungsbeanspruchungen zuverlässig für eine ökonomisch relevante Betriebszeit überleben. Der Nachweis der Zuverlässigkeit erfordert betriebsnahe Labortests, um sicher zu stellen, dass die Lebensdauer begrenzenden Schädigungsmechanismen im Betrieb und unter Laborbedingungen dieselben sind.

 

Betriebsbedingungen für WDS Systeme

Die höchsten Beanspruchungen für WDS Systeme treten in den Laufschaufeln der ersten Turbinenstufe von Flugzeug-Triebwerken auf (Abb. 1). In jedem Flugzyklus treten simultan hohe thermische und mechanische Lasten auf, wobei während des Startvorgangs die Maximaltemperaturen an der keramischen Oberfläche 1100°C überschreiten. Zusätzlich werden durch den hohen Temperaturgradienten über der Wand der Turbinenschaufel hohe mehrachsige Spannungen induziert, die sich aus der resultierenden Bauteildehnung und der Fehlanpassung der physikalischen Eigenschaften von Substrat und Schichtwerkstoffen ergeben.

Prüfanlagen für ‚Thermal Gradient Mechanical Fatigue (TGMF)’

Zwei Prüfanlagen sind mit der Gruppe Werkstoffmechanische Prüfung aufgebaut worden, mit denen die Betriebsbeanspruchungen von Gasturbinen-Laufschaufeln in Flugzeug-Triebwerken simuliert werden können. Die thermischen und mechanischen Ermüdungslasten eines ganzen Fluges, einschließlich Start und Aufstieg, Reiseflug, Landung und Abschalten des Triebwerks können auf Testproben aufgebracht werden (Abb. 2). Das Besondere der Anlagen ist, dass zusätzlich zur zyklischen thermischen und mechanischen Belastung ein hoher Temperaturgradient über der Wand rohrförmiger Proben aufgebracht wird, indem die Probe von außen durch eine konzentrierende Strahlungsheizung erhitzt und innen mit Druckluft gekühlt wird. Wegen des kontrolliert aufgebrachten Temperaturgradienten werden die Versuchszyklen ‚Thermal Gradient Mechanical Fatigue’ oder TGMF-Zyklen genannt. Hohe Aufheiz- und Abkühlraten werden mit Hilfe einer speziellen Shuttertechnik erreicht.

Versagen und Schädigungsbilder

Die kombinierte thermische und mechanische Belastung bewirkt im WDS System lokale mikrostrukturelle und chemische Veränderungen, die mit Hilfe optischer und rasterelektronenmikroskopischer Untersuchungen, einschließlich mikroanalytischer Methoden, analysiert werden. Schädigungen treten überwiegend nahe den Grenzflächen zwischen Metall und Keramik auf, aber auch an der gekühlten inneren Oberfläche der Proben durch oxidationsunterstütztes Ermüdungsrisswachstum. Unter Betriebsbedingungen ist das Abplatzen der WDS nahe der Grenzfläche zwischen der keramischen Deckschicht und der darunter liegenden metallischen Oxidationsschutzschicht, dem so genannten bond coat, ein wichtiger Versagensmodus. In TGMF-Versuchen treten spezifische Schädigungen auf, z.B. ist im Vergleich zu reiner thermischer Ermüdung ein beschleunigtes Abplatzen der WDS zu beobachten, das mit der Ausbildung von Ermüdungsrissen im bond coat, parallel zur Grenzfläche Metall/Keramik, einhergeht. Wegen ihres Erscheinungsbildes im Längsschliff haben wir dieses Risse ‚Smiley cracks’ genannt (Abb. 3). Um die Mechanismen, die zur Ausbildung der beobachteten Schädigungsphänomene führen, zu verstehen, werden die lokalen zeitlich veränderlichen Beanspruchungen im TGMF-Versuch mit Hilfe von Finite Element Methoden berechnet und analysiert.

Lebensdauerabschätzung und Schädigungsparameter

Das Versagen der WDS durch Abplatzen erfolgt im TGMF Versuch nach einer großen Zahl von ca. 5000 bis 10000 Zyklen, vergleichbar der Zahl der Flüge, welche die Schichtsysteme im Betrieb überleben müssen. Um bereits nach kürzeren Testzeiten zu einer Lebensdauerabschätzung zu kommen, werden lange vor dem Versagen Informationen über den Schädigungsstatus als Funktion der Beanspruchungsgeschichte in Form von Anteilen verbrauchter Lebensdauer benötigt. Für den Fall des Versagens der WDS durch Abplatzen schlagen wir als Schädigungsparameter den Grenzflächenrisswiderstand des WDS Systems vor. Methoden zur Bestimmung des Grenzflächenrisswiderstands werden in Hinblick auf ihre Anwendung auf WDS Systeme untersucht und weiter entwickelt.


Kontakt
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Marion Bartsch
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Institut für Werkstoff-Forschung
, Experimentelle und Numerische Methoden
Tel: +49 2203 601-2436

Fax: +49 2203 696480

E-Mail: Marion.Bartsch@dlr.de
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Texte zu diesem Artikel
Publikationen Experimentelle und Numerische Methoden (http://www.dlr.de/wf/desktopdefault.aspx/tabid-1681/3131_read-5566/usetemplate-print/)
Prüfanlage zur mehrachsigen thermomechanischen Prüfung (http://www.dlr.de/wf/desktopdefault.aspx/tabid-2192/3209_read-5876/usetemplate-print/)