Entwicklung neuer oxidischer Wärme - Forschungszentrum Jülich

Kurzfassung:Der Wirkungsgrad moderner Gasturbinen lässt sich durch den Einsatz von Wärmedämmschicht(WDS)-Systemen beachtlich steigern. Die konventionellen WDS-Systeme auf Basis von Yttriumteilstabilisiertem Zirkonoxid (YSZ) sind jedoch aufgrund ihrer eingeschränkten Temperaturstabilitätnicht für höchste Anwendungstemperaturen oberhalb etwa 1200°C geeignet. Deshalb wurden in dervorliegenden Arbeit neue, oxidische Wärmedämmschichtmaterialien auf ihre Eignung getestet undbewertet.Zu Beginn der Arbeit wurde ein Anforderungsprofil für die neuen Wärmedämmschichtmaterialienerarbeitet und mit einem Ranking versehen. Wichtige Anforderungen sind:gute Oxidationsbeständigkeit, gute Phasenstabilität, hoher Schmelzpunkt, niedrige Wärmeleitfähigkeit,geringe Sinterneigung, hoher thermischer Ausdehnungskoeffizient, niedrigesElastizitätsmodul, hohe Bruchzähigkeit, gutes Thermozyklierverhalten, chemische Beständigkeit,Korrosionsbeständigkeit, gutes Erosionsverhalten, günstiges thermomechanisches Verhalten, niedrigeMaterialkosten sowie gute Herstellbarkeit.Eine ausführliche Literaturstudie zeigte, dass besonders hoch-schmelzende Perowskite undPyrochlore als Wärmedämmschichtmaterialien geeignet erscheinen. Da jedoch thermophysikalischeDaten dieser Materialien nur begrenzt verfügbar waren, wurde eine Vielzahl neuer Materialiensynthetisiert und thermophysikalische Eigenschaften gemessen. Bei den Perowskiten waren dasSrZrO 3 , BaZrO 3 und LaYbO 3 . Dabei zeigte SrZrO 3 im Hinblick auf die Wärmedämmschichtanwendungdie besten Eigenschaften. Besonders der thermische Ausdehnungskoeffizient ist mit fast 11*10 -6 /Ksehr hoch. Bei den Pyrochloren diente La 2 Zr 2 O 7 als Basis für die Entwicklung. Durch Dotierung diesesMaterials mit Seltenerdelementen konnten z. T. erhebliche Verbesserungen der thermophysikalischenEigenschaften erreicht werden. So zeigt Gadolinium dotiertes La 2 Zr 2 O 7 thermische Leitfähigkeitenunter 1 W/m/K. Reines Gd 2 Zr 2 O 7 besitzt einen hervorragenden thermischen Ausdehnungskoeffizientenvon 10.5*10 -6 /K.Aus den Erfolg versprechenden Materialien wurden über das PlasmaspritzenWärmedämmschichtsysteme hergestellt und diese umfangreichen Tests unterzogen. In thermischenZykliertests zeigte sich, dass die Proben aus den neuen Materialien frühzeitig versagten. DieserBefund führte zur Entwicklung des Doppellagen-Konzepts. Bei diesem wird eine YSZ–Schicht direktauf die Haftvermittlerschicht aufgebracht und dann mit einer zweiten Lage aus dem neuenWärmedämmschichtmaterial versehen.Diese Systeme zeigten in thermischen Zykliertests bei Temperaturen oberhalb 1300°C eine demStandard-System aus YSZ weit überlegene Temperaturbeständigkeit. Die Schädigung wurde dabeidurch die Oxidation der Haftvermittlerschicht ausgelöst und nicht durch eine Schädigung der Keramik.Dementsprechend ist bei den untersuchten Doppellagensystemen aus YSZ und Pyrochloren einenoch höhere Oberflächentemperatur bzw. eine weitere Verbesserung der Lebensdauer durch dieVerwendung verbesserter Bondcoats möglich.Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass besonders das La 2 Zr 2 O 7 -basierte Doppellagen-System sehr viel versprechend ist. In vielen Belangen ist dieses System dem YSZ überlegen.