Simulation von Wärmedämmschichten

Simulation plasmagespritzter Wärmedämmschichten

Am Institut für Werkstoffe werden Mikrostrukturen komplexer Wärmedämmschichtsysteme simuliert. Ein Standard-Wärmedämmschichtsystem besteht aus folgenden Bestandteilen: dem Grundsubstrat (für hochbeanspruchte Turbinenbauteile meist ein einkristalliner Nickel-Basis-Werkstoff), der metallischen Haftvermittlerschicht bzw. Bondcoat und dem keramischen Yttrium-stabilisierten Zirkonoxid Topcoat. Während des Betriebs bildet sich zwischen Bondcoat und Topcoat eine zusätzliche Oxidschicht- die TGO (thermally grown oxid).

Im Betrieb versagen Wärmedämmschichtsysteme aufgrund thermischer Differenzdehnung, durch komplexe Belastungensfälle und durch den zunehmenden Einfluss der TGO mit steigender TGO-Dicke. Weiterhin kommt es zu Spannungskonzentrationen an Rauigkeitsspitzen des Bondcoats. Diese führen zur Bildung von Mikrorissen, die im Laufe von mehreren Temperaturzyklen zu Makrorisse zusammenwachsen und schließlich zum großflächigen Abplatzen der Wärmedämmschicht führen.

Das Forschungsvorhaben "Optimierung von Wärmedämmschichten durch Variation der Kriechrelaxation und Grenzflächenrauigkeit" soll Einblicke in die Fehlermechanismen von Wärmedämmschichten liefern. Dazu werden die Grenzflächen und die Kriecheigenschaften des Bondcoats simulativ und experimentell variiert. Zusätzlich dazu werden die Kriecheigenschaften der TGO verändert. Durch die Untersuchungen kann der Einfluss dieser Parameter auf das Schichtsystem bestimmt werden, um mögliche Ansatzpunkte für zukünftige Optimierungen zu liefern.

TGO Wachstum
Bildnachweis: Philipp Seiler/Alle Rechte bei der TU-Braunschweig


Abbildung 1: Simulation der Abkühlspannungen für
unterschiedliche TGO-Dicken

Abbildung 1 zeigt die Simulation eines vereinfachten Schichtsystems, bestehend aus einem Bondcoat-ähnlichen Substratwerkstoff (links) und einer TBC (rechts). Dazwischen wird die Dicke der aufgewachsenen Oxidschicht (TGO) variiert . Zur Vereinfachung wird ein Sinus als Grenzfläche angenommen (vollständiger Sinus durch periodische Randbedingungen). Simuliert werden dabei die Abkühlspannungen, die durch thermische Differrenzdehnungen der unterschiedlichen Schichtkomponenten induziert werden. Mit zunehmender TGO Dicke steigt der Einfluss der TGO auf das Gesamtsystem. Es kommt zu Spannungskonzentration auf den Bergen bzw. in den Tälern des Sinus-Profils, an denen Risse induziert werden können.

Diese Simulationen werden für unterschiedliche Bondcoat-Materialien durchgeführt. Neben der Simulation der Abkühlspannungen werden die Wachstumsspannungen der TGO (isotropes und anisotropes Oxidschichtwachstum) simuliert. In einem weiteren Schritt werden beide Simulationsteile gekoppelt, so das vollständige Temperaturzyklen mit Aufheizen, Halten bei 1000°C (mit Wachstum der Oxidschicht) und Abkühlen auf Raumtemperatur abgebildet werden können. Im Vergleich mit experimentellen Versagensbildern sind somit Rückschlüsse auf die Versagensmechanismen möglich, die zur Identifikation möglicher Optimierungsansätze führen.