Entwicklung neuer oxidischer Wärme - Forschungszentrum Jülich

40 5.1 AnforderungsprofilEine hohe Bruchzähigkeit (Kriterium 8) wäre sicher sehr wünschenswert zur Unterdrückung desRisswachstums in der WDS, das zum Versagen der Schicht führen kann. Da jedoch eine wesentlicheEigenschaft von WDS-Materialien die Phasenstabilität ist, sind zähigkeitssteigernde Umwandlungsprozessewie im teil-stabilisierten Zirkonoxid [87] kaum möglich. Ein hoch–zähes, stabiles Materialwird deshalb kaum zu finden sein. Es besteht jedoch die Möglichkeit, in einem späteren Stadium derWDS-Entwicklung durch Optimierung der Schichtmikrostruktur oder durch Einbau von FremdphasenZähigkeitssteigerungen zu erreichen. Darüber hinaus wird weiter unten gezeigt, dass die Verwendungvon Zweilagen- oder gradierten Systemen die Möglichkeit bietet, Verbesserungen zu erreichen.Die Zyklierfähigkeit wird sicher in hohem Maße von der Schichtmikrostruktur bestimmt (Kriterium 9).Deshalb ist bei den ersten Schichten nur eine mäßige Zyklierfähigkeit zu erwarten, die jedoch durchOptimierung der Mikrostruktur gesteigert werden muss. Auch hier kann das Konzept der Zweilagenodergradierten Systeme eine deutliche Verbesserung bewirken (s.u.).Sowohl bei der chemischen Beständigkeit (Kriterium 10) als auch beim Erosionsverhalten(Kriterium11) sind in Spalte 4 Bereiche angegeben, was andeuten soll, dass eine Bewertung von derAnwendung abhängt. Die Anforderungen bezüglich der genannten Eigenschaften hängen stark vonder Art und Reinheit der eingesetzten Medien beim Betrieb der Gasturbine ab. Gefordert werden mussaber zumindest eine hohe Beständigkeit gegenüber Heißgasen mit hohem Sauerstoffpartialduck(Kriterium 1) und in Wasserdampfatmosphäre.Zusätzlich beinhaltet das Kriterium der chemischen Beständigkeit auch die Beständigkeit gegenüberanderen Materialien im WDS–System, soweit es z.B. über Diffusionsprozesse zu einer Reaktionkommen kann (z.B. Reaktion des Al 2 O 3 aus der TGO mit der WDS).Die Anforderung hinsichtlich des thermomechanischen Verhaltens (Kriterium 12) hängt stark vomEinsatzort der WDS ab. Für eine WDS auf einer Laufschaufel wird sicher ein besseres Verhaltengefordert als für Beschichtungen für Brennkammern.Die Kostenfrage (Kriterium 13) spielt sicher für die industrielle Anwendung eine wichtige Rolle undmuss immer im Zusammenhang mit dem Nutzen durch die Performanceverbesserung durch einneues Schichtsystem gesehen werden. Ein grobe Abschätzung mag einen Anhaltspunkt für diezulässigen Materialkosten liefern. Für eine stationäre Gasturbine im 100 MW Bereich müssen etwa20 m² mit etwa 1 mm starker WDS beschichtet werden. Dies entspricht 20 l WDS-Material, d.h. beieiner Dichte von 5 kg/l 100 kg. Bei einem Pulverpreis von 25 Euro/kg und einem Auftragswirkungsgradvon 50 % entspricht das 5000,-Euro. Bei einem Investitionsvolumen im Millionenbereich spielt dieserFaktor eine eher untergeordnete Rolle. Umgerechnet auf eine 2-jährige Laufzeit erhält man einenAnteil von knapp 0.0003 Cent / kWh. Bei Gaskosten von einigen Cent pro kWh ließen sich demnachein zehnfach höherer Preis für die Materialien bereits bei einer Wirkungsgradsteigerung imPromillebereich rechtfertigen. Dementsprechend sind die reinen Kosten für neue Materialien nicht vonausschlaggebender Bedeutung. Es soll hier darauf hingewiesen werden, dass die Materialkostennatürlich ein Teil der gesamten Herstellungskosten sind. Wie groß dieser Anteil ist, hängt von derBeschichtungsart sowie den Bauteilen ab. Er liegt etwa zwischen 5 und 35 % [107].Das letzte in Tabelle 6 genannte Kriterium 14 der Herstellbarkeit ist auch eng mit den Kostenverknüpft. EB-PVD-Schichten im Vergleich zu APS-Schichten oder auch zusätzliche Bearbeitungsschritte,wie Temperaturbehandlungen zur Kristallisation amorpher Phasen oder zur Einstellung von