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Study of crystallography and erosion behavior of single and multilayer coatings used for applications in aero engines

Untersuchung der kristallografischen Eigenschaften und des Erosionsverhaltens von einzel- und mehrfachbeschichteten Turbinen-Bauteilen

  • Erosion of aero-engine components has been identified as a serious problem since the World War II. During this time various attempts have been made to study this phenomenon in order to improve the life and performance of the used components. Flights in particulate environments led to the drastic degradation of the performance due to blunting of blade edges, reduction of chord and increase of tip clearance. Measures like coating of blades and high efficiency filters have been introduced in order to protect the aero-engine components from wear in dusty environments. In the present work an effort has been made in order to deposit various single and multilayer coatings for the erosion protection of Inconel718 alloy used as the substrate material. Inconel718 finds its applications in high pressure compressors within gas turbines. To deposit the various coatings onto the substrate material the Direct Current (DC) Method has been used as a Physical Vaporization Deposition technique. The architecture of the investigated coatings is on oneErosion of aero-engine components has been identified as a serious problem since the World War II. During this time various attempts have been made to study this phenomenon in order to improve the life and performance of the used components. Flights in particulate environments led to the drastic degradation of the performance due to blunting of blade edges, reduction of chord and increase of tip clearance. Measures like coating of blades and high efficiency filters have been introduced in order to protect the aero-engine components from wear in dusty environments. In the present work an effort has been made in order to deposit various single and multilayer coatings for the erosion protection of Inconel718 alloy used as the substrate material. Inconel718 finds its applications in high pressure compressors within gas turbines. To deposit the various coatings onto the substrate material the Direct Current (DC) Method has been used as a Physical Vaporization Deposition technique. The architecture of the investigated coatings is on one side a single layer TiN coating and on the other side multilayer Cr/CrN, Ti/CrN and TiN/CrN coatings as well. The experimental results show that bilayer Cr/CrN multilayer coatings possess a variation in mechanical properties with the change in bilayer period. Additional adhesion tests show various spallation mechanisms which are related to the coating architecture. Process parameters used during the coating process had an influence on the coating growth. The growth of coatings as in form of a V-structure results in low adhesion between the coating and the substrate or the previous coating layer. Another change in the coating structure is obtained by changing metallic or ceramic layer between CrN layers. The presence of coating defects, like droplets, on the coating surface acts as voids within the coating structure decreasing the structural integrity of the coatings. The conduction of a phase analysis of Cr/CrN multilayer developed the presence of a mixture of fcc-CrN, hcp-Cr2N and bcc-Cr phases. A variation in the phase formation is found to be dependent on the bilayer period of the coatings. A complex XPS analysis and a related thermodynamic study indicate that the variation in the binding energies and thermodynamic stability of the CrN and Cr2N phases are responsible for their stable formation during the coating deposition. TiN single layer coatings showed the formation of a single phase fcc-TiN. The presence of Cr2N, Cr2Ti, TixNy phases is found during the deposition of Ti/CrN and TiN/CrN coatings. An additional Scherrer analysis to evaluate the determination of crystal size pointed out the presence of nano-crystals of various phases within the coatings. Stress analysis of the tested Cr/CrN coatings showed compressive stresses within the coatings, respectively. In this case only slight differences in stress values are observed for Cr1/CrN3 and Cr0.25/CrN3.75 coatings. Erosion tests of Cr/CrN coatings showed erosion protection at shallow incidence angles (30°) as compared to uncoated Inconel718 alloy. In contrast, no erosion protection is obtained during the erosion at oblique angles. Crack deflection at the metal-ceramic interface, shearing of columns, internal distortion of CrN layer, radial and cone cracking, step shear, inter- and intra-columnar crack propagation are reported as some of the processes occurring during the erosion process. The presence of micro droplets is reported to be one of the major causes of low adhesion between the coating and substrate or structural weakness of coating, which provokes a rapid removal of the coating. Within the last section of the present thesis the correlation between various models (proposed through contact mechanics) and erosion rate is studied. It is found that for the single layer and multilayer coatings a low correlation between H3/E2 and erosion rate exists. A study of the ratio between elastic modulus of coating to elastic modulus of substrate (Ef/Es) in order to describe the erosion mechanism in a coating show non-conformance of the results as proposed by contact mechanic theories. A difference in the elastic modulus of consecutive coating layers (E1-E2) showed that no correlation can be found for the coatings during erosion at 30° and 90°.show moreshow less
  • Die Erosion an Komponenten von Triebwerken ist seit dem 2. Weltkrieg als ernsthaftes Problem bekannt. Seitdem ist man bemüht, dieses Phänomen intensiv zu untersuchen, um die Lebensdauer und Funktionalität der Komponenten zu verbessern. Abrundungen an den Kanten der Turbinenschaufeln, eine Verschlechterung in der Abstimmung und die Vergrößerung der Abstände der Schaufel-Spitzen zueinander führen bei Flügen unter sandigen Umgebungen zu einer deutlichen Abnahme der Leistungsfähigkeit. Um die Turbinenbauteile vor Verschleiß bei Flügen in staubbelasteten Umgebungen zu schützen, wurden Untersuchungen mit unterschiedlichen Beschichtungen der Turbinenschaufeln durchgeführt sowie hocheffiziente Filtersysteme eingeführt, installiert und eingebaut. Der Fokus der vorliegenden Arbeit liegt auf der ein- und mehrlagigen Beschichtung einer Inconel718-Legierungen zum Schutz vor Korrosion. Inconel718-Legierungen finden vor allem ihr Anwendungsgebiet im Hochdruckverdichter. Zur physischen Aufbringung der Beschichtung aus der Dampfphase wurde alsDie Erosion an Komponenten von Triebwerken ist seit dem 2. Weltkrieg als ernsthaftes Problem bekannt. Seitdem ist man bemüht, dieses Phänomen intensiv zu untersuchen, um die Lebensdauer und Funktionalität der Komponenten zu verbessern. Abrundungen an den Kanten der Turbinenschaufeln, eine Verschlechterung in der Abstimmung und die Vergrößerung der Abstände der Schaufel-Spitzen zueinander führen bei Flügen unter sandigen Umgebungen zu einer deutlichen Abnahme der Leistungsfähigkeit. Um die Turbinenbauteile vor Verschleiß bei Flügen in staubbelasteten Umgebungen zu schützen, wurden Untersuchungen mit unterschiedlichen Beschichtungen der Turbinenschaufeln durchgeführt sowie hocheffiziente Filtersysteme eingeführt, installiert und eingebaut. Der Fokus der vorliegenden Arbeit liegt auf der ein- und mehrlagigen Beschichtung einer Inconel718-Legierungen zum Schutz vor Korrosion. Inconel718-Legierungen finden vor allem ihr Anwendungsgebiet im Hochdruckverdichter. Zur physischen Aufbringung der Beschichtung aus der Dampfphase wurde als Methode die Gleichstrom-Technik angewandt. Einzelschichten mit TiN und mehrlagige Cr/CrN-, Ti/CrN- und TiN/CrN-Beschichtungen wurden so auf das Substrat aufgebracht. Im Ergebnis konnte gezeigt werden, dass Cr/CrN-Mehrfach-Beschichtungen, bestehend aus 2 Lagen, Unterschiede in ihren mechanischen Eigenschaften aufweisen, je nachdem welche Schicht zuerst aufgebracht wurde. Untersuchungen zur Adhäsion zeigten verschiedene Ablösungsmechanismen, die mit dem strukturellen Aufbau der Beschichtung zusammenhängen. Die während des Beschichtungsvorgangs gewählten Prozessparameter haben einen direkten Einfluss auf die Geschwindigkeit, mit der die Beschichtung aufgebracht wird. Veränderte man den Schichtaufbau, indem metallische oder keramische Schichten zwischen den CrN-Schichten aufgebracht wurden, veränderte dies die Eigenschaften der gesamten Beschichtungsstruktur. Die Anwesenheit von Schichtdefekten auf der Oberfläche einer Schicht fungierte als Störstelle, die die strukturelle Integrität der Beschichtung reduzierte. Die Phasenanalyse der Cr/CrN Mehrfachschichten zeigte eine bereits bekannte Mischung von fcc-CrN-, hcp-Cr2N- und bcc-Cr-Phasen. XPS-Analyse und thermodynamische Untersuchungen ergaben, dass Veränderungen der Bindungsenergien und der thermischen Stabilität von CrN und Cr2N verantwortlich sind für einen stabilen Aufbau während des Beschichtungsprozesses. Bei der TiN-Schicht befindet sich im Aufbau nur eine fcc-TiN-Phase. Das Vorhandensein von Cr2N-, Cr2Ti-, TixNy-Phasen konnte bei der Aufbringung der Ti/CrN- und TiN/CrN-Beschichtungen nachgewiesen werden. Eine Analyse nach Scherrer zur Bestimmung der Kristallgröße wies die Existenz von Nano-Kristallen unterschiedlicher Phasen in den Beschichtungen nach. Belastungsuntersuchungen an den getesteten Cr/CrN-Beschichtungen zeigten Druckspannungen innerhalb der Beschichtung. Zwischen den Cr1/CrN3- und Cr0.25/CrN3.75-Beschichtungen konnten keine großen Unterschiede im Stressverhalten festgestellt werden. Im Vergleich zu unbeschichteten Inconel718-Legierungen zeigten die Cr/CrN-beschichteten Proben beim Erosionsverhalten eine Verbesserung des Erosionsschutzes unter flachen Auftreffwinkeln (30°). Bei anderen steileren Auftreffwinkeln konnte keine Schutzwirkung festgestellt werden. Ablenkung durch Sprünge an der metall-keramischen Trennschicht, Störung/Deformation in der internen CrN-Schichtstruktur, sind einige der Verschleißprozesse, die während des Erosionsprozesses beobachtet wurden. Das Vorhandensein von Schichtdefekten (Mikrotröpfchen) wird als eine der Hauptursachen für eine geringe Haftung zwischen Beschichtung und Substrat angesehen, bzw. für die strukturelle Schwächung der Beschichtung verantwortlich gemacht und führt dazu, dass die aufgebrachte Beschichtung schneller abgetragen wird. Im letzten Abschnitt der Arbeit werden die Ergebnisse zum Erosionsverhalten unter Verwendung verschiedener Modelle, die im Bereich der Kontaktmechanik propagiert werden, diskutiert. Für die Ein-, und Mehrschicht-Beschichtungen konnte eine schwache Korrelation zwischen H3/E2 und der Erosionsrate festgestellt werden. Wie zu erwarten war, zeigte die Untersuchung des Verhältnisses des Elastizitäts-Moduls der Beschichtung zu dem des Substrats (Ef/Es) keine Übereinstimmung mit den Modellen aus der Kontaktmechanik. Die Untersuchung der Differenz der Elastizitäts-Module der aufeinander folgenden Schichten in der Beschichtung (E1-E2) zeigte keine Korrelation zu dem bei den Beschichtungen gefundenen Erosionsverhalten bei 30° und 90°.show moreshow less

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Metadaten
Author: Muhammad Naveed
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-35620
Referee / Advisor:Prof. Dr.-Ing. Sabine Weiß
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of Completion:2015
Date of final exam:2015/07/09
Release Date:2015/09/22
Tag:Erosionsschutzschichten; Multilagenschichten
Multilayer Coatings; Solid Particle Erosion
Institutes:Fakultät 3 Maschinenbau, Elektro- und Energiesysteme / FG Metallkunde und Werkstofftechnik
Institution name at the time of publication:Fakultät für Maschinenbau, Elektrotechnik und Wirtschaftsingenieurwesen (eBTU) / LS Metallkunde und Werkstofftechnik
Other Notes:Dissertation ist im Cuvillier Verlag Göttingen mit der ISBN 978-3-7369-9054-8 erschienen
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.
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