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Thermophysikalische Charakterisierung von Wärmedämmschichten

Thermophysical characterization of thermal barrier layers

  • Die Effizienzsteigerung moderner Gasturbinen erfordert die stetige Anhebung der Betriebstemperatur. Die derzeitigen Brenngastemperaturen liegen mit über 1400 °C signifikant über der kritischen Temperatur der verwendeten Turbinenstähle. Zur Gewährleistung der Betriebssicherheit werden die Turbinenschaufeln neben Aktivkühlung durch Beschichtung mit thermischen Schutzschichten, sogenannten thermal barrier coatings (TBC), geschützt. Da es sich bei den TBC um Keramikschichten handelt, ist für die Erhöhung der Haftfestigkeit das Aufbringen eines Haftvermittlers (Verbindungsschicht) notwendig. Da die Eigenschaften dünner Schichten stark von den Eigenschaften des Bulkmaterials abweichen können und zudem von der Herstellungsmethode beeinflusst werden, ist eine Untersuchung der thermischen und infrarot-optischen Eigenschaften der tatsächlichen Schichtstrukturen unumgänglich, insbesondere im Hochtemperaturbereich. Hierfür wurden Proben des reinen Trägerstahls, des Trägerstahls mit Haftvermittlerschicht und des kompletten Schichtsystems aus Trägerstahl, Haftvermittlerschicht und Wärmedämmschicht verschiedener Dicken hergestellt und mittels Laser-Flash-Methode untersucht. Die Auswertung erfolgte dabei analytisch, ausgehend von der Trägerstahl-Einschichtprobe, über die Zweischicht- und Dreischichtsysteme. Vervollständigt wurden diese Untersuchungen durch infrarot-optische Charakterisierungen, mit denen sich die Wärmeausbreitung durch die Schichtsysteme beschreiben lässt. Zusammen mit den Laser-Flash Messungen erlaubt dies eine spätere Quantifizierung der einzelnen, bei Keramiken auftretenden, Wärmetransportmechanismen.
  • Increasing the efficiency of modern gas turbines requires the increase of operating temperature. Current fuel gas temperatures above 1400 °C significantly exceed critical temperatures of the turbine steels used. To ensure operational safety, the turbine blades are actively cooled and also protected by protective layers, the so-called thermal barrier coatings (TBC). Since the TBC are ceramic layers, an adhesion promoter (bond coat) must be applied to increase the adhesive strength. Since properties of thin layers can differ from properties of the bulk material and are also influenced by the manufacturing method, an investigation of the thermal and infrared-optical properties of the actual layer is essential, especially in the high temperature range. For this purpose, samples of the pure carrier steel, the carrier steel with bond coat and the complete layer system of carrier steel, bond coat and TBC of various thicknesses were produced and examined using the laser flash method. The evaluation was carried out analytically, starting from the single-layer sample, via the two-layer and three-layer systems. These investigations were completed by infrared-optical characterizations, allowing the description of the heat transport through the layer systems. These measurements allow a future quantification of the individual heat transport mechanisms occurring in ceramics.

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Metadaten
Author:Jürgen Hartmann, Kevin Knopp, Amir Shandy, Achim Winterstein, Mariacarla Arduini, Frank Hemberger, Stephan Vidi, Jochen Manara, Michael Müller
DOI:https://doi.org/10.1515/teme-2021-0074
Parent Title (German):tm - Technisches Messen
Publisher:Oldenbourg Wissenschaftsverlag
Document Type:Article
Language:German
Year of publication:2021
Release Date:2023/01/30
Tag:Kontaktwiderstand; Laser-Flash-Verfahren; kontaktlose Messung; thermische Charakterisierung; thermische Wärmeschutzbarrieren
Contactless measurement; contact resistance; laser flash method; thermal barrier coatings; thermal characterization
Volume:88
Issue:12
Verstanden ✔
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