Mechanische Eigenschaften von EB-PVD ZrO2 Wärmedämmschichten

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2015-01-27
Issue Year
2015
Authors
Held, Carolin
Editor
Abstract

In this work, the elastic properties of thermal barrier coatings which were produced by electron-beam enhanced physical vapour deposition were investigated, as well as the dependency of the properties on the sample microstructure, the thermal treatment and the test method. For this purpose, not only commercial coatings were characterized, but also special sample material was used which consists of a 1 mm thick layer of EB-PVD TBC. This material was isothermally heat treated for different times at 950 °C, 1100 °C and 1200 °C and then tested in a specially developed miniaturized bend test and by dynamic mechanical analysis. The sample material was tested by nanoindentation in order to measure the Young's modulus on a local scale, and the porosity of the samples was determined by microstructure analysis and porosimetry. The decrease of porosity could be connected with sintering and subsequent stiffening of the material. The test results are dependent on the tested volume. A small test volume leads to larger measured Young's moduli, while a large test volume yields lower values. The test volume also has an influence on the increase of stiffness during thermal exposure. With a small tested volume, a quicker increase of the Young's modulus was registered, which could be associated to the sintering of local structures.

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wurden die elastischen Eigenschaften von elektronenstrahlaufgedampften Wärmedämmschichten und ihre Abhängigkeit von der Probenmikrostruktur, der Wärmebehandlung der Proben und der Testmethode charakterisiert. Hierzu wurden sowohl kommerzielle Schichten als auch dickeres Wärmedämmschichtmaterial mit verschiedenen Methoden untersucht. Die dickeren Proben wurden bei drei verschiedenen Temperaturen für unterschiedliche Dauern wärmebehandelt und daraufhin in einem eigens dafür entwickelten Mikrobiegeaufbau und mit Dynamisch-Mechanischer Analyse getestet. Um die lokalen mechanischen Eigenschaften zu messen, wurden alle Proben mit Nanoindentierung untersucht. Die Entwicklung der Mikrostruktur der Proben mit der Wärmebehandlung wurde durch Mikrostrukturanalysen und Porositätsmessungen quantifiziert. Es wurde gefunden, dass die Versteifung der Schichten in Zusammenhang mit der Abnahme der Porosität durch Sintervorgänge steht. Die gemessenen Elastizitätsmoduli sind abhängig vom getesteten Volumen. Bei geringerem Testvolumen wurden höhere Elastizitätsmoduli ermittelt, während bei größerem Testvolumen niedrigere Werte registriert wurden. Auch auf den Anstieg der Steifigkeit im Verlauf der thermischen Belastung hat das getestete Volumen einen Einfluss. Bei kleinerem Testvolumen wurde ein schnellerer Anstieg des Elastizitätsmoduls gemessen, was mit der Versinterung lokaler Strukturen in Zusammenhang gebracht werden konnte.

DOI
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