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Institut für Energie- und Klimaforschung

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Thermo-mechanisches Verhalten von lasergebohrten Wärmedämmschichtsystemen (TBC-Systemen)

Ein Gemeinschaftsprojekt für Turbinenkomponenten mit längeren Lebensdauern

TBC-Probe nach dem Bohren mittels Faserlaserstrahlung (Trepanier Modus)TBC-Probe nach dem Bohren mittels Faserlaserstrahlung (Trepanier Modus)

Rissbildung im Bereich der Bondcoat-Substrat GrenzflächeVergrößerung des grün markierten Bereichs zeigt von der Bohrwand ausgehende Rissbildung im Bereich der Bondcoat-Substrat Grenzfläche

Moderne, effiziente Gasturbinen erfordern bei thermisch hoch beanspruchten Komponenten sowohl die Nutzung beschichteter, hochwarmfester Werkstoffe als auch den Einsatz fortschrittlicher Kühltechnologien. Insbesondere die Filmkühlung ist bei keramisch beschichteten Hochtemperaturkomponenten zur Begrenzung der maximalen Materialtemperatur unverzichtbar. Die Spannungskonzentration an den eingebrachten Kühlluftbohrungen bewirkt eine Reduzierung der Ermüdungslebensdauer der betreffenden Komponente. Zusätzlich führt das gemäß dem Stand der Technik eingesetzte Laserstrahlbohren im Bereich der Bohrlochwand häufig zu verfahrensbedingten, signifikanten Gefügeänderungen und Defekten (Recast-Layer, Oxid-Layer, Mikrorisse, usw.) die eine Reduzierung der Lebensdauer nach sich ziehen. Aus diesem Grund wird unterstützend zur Weiterentwicklung der Prozesstechnik des Laserstrahlbohrens die Schädigungskinetik an den Turbinenkomponenten untersucht.

Aktuelle Gasturbinenschaufeln stellen sowohl im stationären als auch im Flugbetrieb komplexe Hochtechnologie-Produkte in Form heterogener Materialverbünde und einer vielstufigen Fertigungskette dar. Diese werden aus hochwarmfesten Werkstoffen hergestellt und erhalten meist ein zusätzliches keramisches Beschichtungssystem, um im Heißgasstrom wirksam gegen hohe Temperaturen, Oxidation und Korrosion geschützt zu werden. Zusätzlich ist eine aufwendige Kühlung aufgrund der hohen Turbineneintrittstemperaturen von bis zu 1700°C zwingend erforderlich. Zum Einsatz kommt häufig die Filmkühlung, die die Temperatur der gebohrten Turbinenschaufeln zum einen von innen, zum anderen durch den austretenden Sekundärluftstrom mit dem sich bildenden Kühlfilm von außen wirksam reduziert. Ohne Kühlung wären plastische Verformungsvorgänge - beschleunigt aufgrund der hohen Temperaturen - wie Kriechen nicht zu verhindern; eine vorhersagbare, nennenswerte Bauteillebensdauer wäre bei den Betriebsbelastungen in einer Gasturbine nicht gegeben. Die Bohrungen können heute im Wesentlichen durch drei Verfahren in die Schaufeln eingebracht werden: die Funkenerosion, das chemische Bohren und das Laserstrahlbohren. Bei keramisch beschichteten Schaufeln, die Gegenstand dieses Vorhabens sind, wird ausschließlich das Laserbohren eingesetzt. Das Verfahren ist trotz Nachteile in der Industrie etabliert. Die Reduzierung der Ermüdungslebensdauer von thermisch hoch belasteten Komponenten durch Kühlluftbohrungen ist aufgrund entsprechender Service-Erfahrungen bekannt.

Ziel des Vorhabens ist die Schaffung eines grundlegenden Verständnisses des quantitativen Einflusses von Kühlluftbohrungen auf die thermozyklische, thermomechanische und mechanische Ermüdungsbeständigkeit von Turbinenkomponenten und deren Schutzschichten sowie die Optimierung des Verfahrens Laserstrahlbohren. Der Einfluss sowohl der Bohrungen als auch der eingesetzten Verfahrensparameter zur Herstellung der Bohrungen auf die Ermüdungsbeständigkeit ist bisher nur lückenhaft bekannt. Für eine zuverlässige Auslegung der beschichteten Hochtemperaturkomponenten stehen keine ausreichenden Daten sowie Informationen über den Degradations- und Schädigungsmechanismus zur Verfügung. Diese Lücken sollen mit dem Vorhaben geschlossen werden. So wird das Laserstrahlbohren von keramisch beschichteten Turbinenkomponenten für die technische Anwendung einerseits bewertbar gemacht und andererseits das Potential zur Herstellung von qualitativ hochwertigen Bohrungen durch die Verwendung von ultrakurzgepulsten Strahlquellen aufgezeigt. Hierzu erfolgen experimentelle Ermittlung des Einflusses der verschiedenen Verfahrensparameter auf das Lebensdauerverhalten bei

  • Thermozyklen mit Haltezeit (thermische Fehlpassungen und Oxidation).
  • isothermer Hochtemperaturermüdung (Mechanische Kerbwirkung und mikrostrukturelle Beeinflussung der Bohrungen und des Schichtsystems).
  • thermomechanischer Ermüdung (Mechanische Kerbwirkung und mikrostrukturelle Beeinflussung mit Berücksichtigung der temperaturabhängigen Eigenschaften sowie thermische Fehlpassungen und Oxidation).
  • Ermittlung des Einflusses der Bohrungsgeometrie und bearbeitungsinduzierter Anrisse auf das lokale Spannungs- und Dehnungsfeld durch FEM-Berechnungen.

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