Entwicklung neuer oxidischer Wärme - Forschungszentrum Jülich

60 6.3 Charakterisierung6.3.6 Optische EigenschaftenAbweichend von den bisher dargestellten Ergebnissen wurden die im Folgenden präsentiertenResultate zu den optischen Eigenschaften nicht an gesinterten Proben sondern an plasmagespritztenSchichten gemessen. In Abbildung 29 sind die Ergebnisse der Bestimmung des Transmissionsfaktorssowie der Emissivität (berechnet aus Transmission- und Reflexionsfaktor) für eine 300 µm Schicht aufeiner IN738-Thermozyklierprobe aufgetragen. Zusätzlich sind die Messergebnisse für eine 8YSZ-Schicht auf Rene5 sowie eine freistehende YSZ-Schicht eingezeichnet. Die Absorptionspeaks beietwa 3 µm können OH-Bindungen zugeschrieben werden [145].Die Ergebnisse La 2 Zr 2 O 7 und die YSZ-Schichten auf Substrat sind speziell im Wellenlängenbereichzwischen etwa 8 und 11.5 µm weitgehend identisch. Die Werte für die Emissivität liegen für YSZzwischen 0.868 und 0.982 sowie für La 2 Zr 2 O 7 zwischen 0.884 und 0.970. Für die Temperaturbestimmungbei der Thermozyklierung über die Pyrometrie wurde wie bereits diskutiert (s. Kap. 3.7.6)der Wert von 1 verwendet. Die Temperatur wird damit unterschätzt. Auf Grund des ähnlichen Verlaufsder Emissivitäten ist der Fehler bei YSZ und La 2 Zr 2 O 7 in etwa gleich. In den anderenWellenlängenbereichen bis auf den Bereich unter ca. 3 µm liegt die Emissivität von La 2 Zr 2 O 7 etwashöher als die von YSZ. Für den Reflexionsfaktor ergibt sich ein gerade umgekehrtes Bild.In Abbildung 30 sind die Transmissions- sowie Emissionsfaktoren für freistehende La 2 Zr 2 O 7 –Schichten aufgetragen. Während das Emissionsverhalten keine stark ausgeprägteDickenabhängigkeit zeigt, ist dies beim Transmissionsvermögen der Fall. Eine zunehmendeSchichtdicke führt zu stärkerer Streuung des Lichtes und damit zu reduzierter Transmission [145]. Füreine Anwendung als Wärmedämmschicht ist ein möglichst kleiner Transmissionsfaktor von Vorteil, daman auch die Wärmeleitung in die Strukturbauteile über Strahlung möglichst vermeiden möchte. InAbbildung 31 werden deshalb Literaturwerte für YSZ [145] den Werten von La 2 Zr 2 O 7 beim Maximumder Transmission bei 5 – 6 µm gegenübergestellt. Auch wenn der für beide Materialien verfügbareSchichtdickenbereich nicht stark überlappt, zeichnet sich ab, dass das Transmissionsverhalten ähnlichist. Legt man für eine 300 µm Schicht einen Transmissionskoeffizienten von 25% für Wellenlängenunter 6 µm sowie keine Transmission für größere Wellenlängen zugrunde, ergibt sich alsStrahlungsleistung bei einer Flammtemperatur von 1500 °C bzw. 1700°C 0.13 bzw. 0.20 MW/m². DerEinfachheit halber wurde dabei die Flamme als schwarzer Strahler betrachtet. Der Strahlungsanteil istetwa einen Faktor 5 -10 kleiner als der Anteil durch Wärmeleitung in den Schaufeln (etwa 1 MW/m²).Diese Ergebnisse stimmen in etwa überein mit den Befunden genauerer Rechnungen von R. Siegel[146]. Er findet für Schaufeln, die mit einer 250 µm dicken WDS versehen sind und einerSchwarzkörperstrahlung von 2000 K heißen Brennkammern ausgesetzt sind, eine Verringerung desTemperaturgradienten von etwa 1/8 im Vergleich zur den Rechnungen ohne Strahlung. Derkonvektive Wärmefluss liegt hier bei etwa 1.25 MW/m².Zusätzlich fällt aber besonders bei hohen Temperaturen noch eine andere Art der Strahlungsleitungins Gewicht. Dieser Beitrag wird durch die merkliche Strahlung der Wärmedämmschicht selberverursacht. Aufgrund des Temperaturgradienten strahlt eine Ebene der Schicht im heißen Bereichmehr in den kühleren Bereich als umgekehrt. Für diesen Prozess kann man näherungsweise einethermische Leitfähigkeit berechnen, die aber in diesem Fall temperaturabhängig ist [147,148]: