A small-angle scattering analysis of the influence of manufacture and thermal induced morphological changes on the thermal conductivity of EB-PVD PYSZ thermal barrier coatings

摘要

Die Abscheidung von elektronenstrahlaufgedampften Wärmedämmschichten (EB-PVD WDS) auf metallischen Turbinenschaufeln von Triebwerken führt zu einer Verbesserung der Schaufelinnenkühlung, d.h. die Eintrittstemperatur der Gase in der Turbine kann erhöht werden und somit die Effizienz des Triebwerks gesteigert werden. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Einfluss der Prozessparameter Umdrehungsgeschwindigkeit sowie Substrattemperatur des EB-PVD-Verfahrens auf die kolumnare Mikrostruktur und auf die Porengeometrie und -verteilung in der Schicht. Die oben genannten Prozessparameter steuern den kinetischen Massenkondensierungsprozess, der den Aufbau der Schicht bestimmt. Es wurde im Rahmen der Untersuchungen festgestellt, dass Unterschiede in den Werten der Wärmeleitfähigkeit auftreten. Eine detaillierte quantitative Analyse der Porositätsverteilung in der WDS wurde mittels moderner Messmethoden wie Ultrakleinwinkelröntgenstreuung (USAXS), Kleinwinkel-neutronenstreuung (SANS), und Rasterelektronenmikroskopie (SEM) durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten eine stark ausgeprägte anisotrope Konfiguration der Poren im Querschliff parallel und senkrecht zur Rotationsachse des Substratträgers. Aus den USAXS Informationen konnte mittels eines auf Maxwells Theorie basierenden approximativen Ansatzes die Wärmeleitfähigkeit berechnet werden. Dies erlaubte die Analyse des Einflusses der räumlichen Anordnung sowie der Geometrie der Poren. Die theoretisch und experimentell ermittelten Werte der Wärmeleitfähigkeit zeigten eine gute Übereinstimmung. Weiterhin wurde festgestellt, dass die intrakolumnaren Poren und der innere Anteil der Spalte zwischen den Sekundärkolumnen (Federarme) einen stärkeren Einfluss auf die Wärmeleitfähigkeit von EB-PVD WDS haben als die interkolumnaren Spalte. Weitere Untersuchungen beschäftigten sich mit dem Einfluss thermisch aktivierter Prozesse, speziell Sintern, auf die Morphologie und somit auch auf die Wärmeleitfähigkeit von elektronenstrahlaufgedampften Wärmedämmschichten. Die durch die SANS-Methode beobachtete Änderung der Porengeometrie während der thermischen Auslagerung wurde durch Oberflächendiffusion als dominierender Diffusions-mechanismus verursacht. Die Aktivierungstemperatur für diesen Mechanismus betrug ca. 900°C in den untersuchten Schichten. Nach dem Hochtemperaturalterungsprozess bildeten sich aus den zunächst länglichen intrakolumnaren Strukturen und dem inneren Anteil der Spalte zwischen den Sekundärkolumnen nahezu kugelförmige Poren, die eine weitaus geringere Oberfläche aufwiesen. Durch diese Geometrieänderung wird die Wärmeleitfähigkeit der EB-PVD WDS größer, was Resultate aus Experimenten zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit bestätigten.