Für die Verbesserung der Wirtschaftlichkeit beim Betrieb von Gasturbinen
Die Leistung von weiterentwickelten Gasturbinen, die hauptsächlich im Luft- und Seeverkehr Energie für den Antrieb sowie zur Stromerzeugung liefern, kann durch höhere Gastemperaturen deutlich gesteigert werden. Die Verwendung von Wärmedämmschichten (TBCs - thermal barriers coatings) an den wichtigen Superlegierungs-Turbinenteilen ermöglicht eine solche Steigerung durch deren Schutz vor thermomechanischer Ermüdung und Oxidation. Wärmedämmschichten umfassen eine ausreichend starke und haltbare Isolierung zwischen dem lastentragenden Superlegierungssubstrat und der äußeren Keramikschicht, um einen ausreichenden Temperaturunterschied zu gewährleisten. Im Geltungsbereich des HIPERCOAT-Projekts bearbeiteten Wissenschaftler an der Universität von Kalifornien in Santa Barbara die morphologischen Instabilitäten im thermisch gewachsenen Oxid (TGO), das sich auf der Haftvermittlerschicht durch anfängliche Mängel an der Grenzfläche bildet. Diese Instabilitäten treten auf, wenn die anfängliche Nichtplanarität im TGO an Umfang zunimmt, während am System bei sehr starken Temperaturveränderungen Temperaturwechselbeanspruchungen auftreten. Numerisch erforschte man die Einwirkung von Verlagerungen aufgrund der plastischen Verformung der Haftvermittlerschicht sowie aufgrund der Spannungen durch die an das Superlegierungssubstrat fehlangepasste thermische Ausdehnung. Die Analyseergebnisse über die ebene Spannung erbrachten wichtige Erkenntnisse zu Ausfallmechanismen als Ursachen für solches Versagen. Dadurch werden Risse verursacht, die sich seitlich bilden und ausdehnen, weshalb die Integrität des mehrschichtigen Wärmedämmungssystems gefährdet wird. Zwar ist das mechanistische Wissen noch unvollständig, aber es liefert dennoch eine mit Informationen versehene Basis, um die Eigenschaften der aktuellen Verarbeitungsprozesse auch zur Unterstützung von Anstrengungen für mehr Haltbarkeit zu bestimmen. Diese Arbeit mit dem Schwerpunkt auf der Mikrostruktur und den Eigenschaften von so verarbeiteten und thermisch behandelten Stoffen wird durch die experimentelle Beurteilung in industriellen Fallstudien ergänzt. Die Ergebnisse werden für viele weitere Anwendungen hilfreich sein, bei denen auch unter rauen Bedingungen die strukturelle Integrität gewahrt bleiben muss.
