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Vortrag (20 Min., 5 Min. Diskussion, 5 Min. Raumwechsel)

Simulationsgestützte Lebensdauerabschätzung von MCrAlY Schichtsystemen – Thermodynamische Simulation diffusions- und oxidationsbedingter Degradation von γ/β-NiCoCrAlY-Überzugschichtsystemen eingesetzt in stationären Gasturbinen

Friday (20.09.2019)
10:00 - 10:30 Uhr Tammann
Bestandteil von:


MCrAlYs sind oxidations- und korrosionsbeständige Beschichtungen, die auf Heißgaspfadkomponenten von Gasturbinen appliziert werden. Es hat sich gezeigt, dass eine Anpassung solcher Beschichtungssysteme auf die immer flexibleren Operationsregime moderner Gasturbinen eine Notwendigkeit darstellt, um maximale Standzeiten der Anlage und somit deren Wirtschaftlichkeit gewährleisten zu können. Da die Adaption jedoch auch heute noch überwiegend auf Basis experimenteller Versuchsreihen erfolgt, ist dieser Prozess mit erheblichem Aufwand und Kosten verbunden.


Thermodynamische Softwarepakete haben sich bereits vielfach als leistungsstarkes Hilfsmittel zur Vorhersage von Materialeigenschaften und -struktur durch Berechnung systembezogener Zustandsgrößen und Simulation von Diffusionsprozessen bewiesen. Zum jetzigen Zeitpunkt können diese Programme jedoch nur die Diffusion zwischen festen und/oder flüssigen Phasen simulieren. Eine direkte Berücksichtigung atmosphärischer Einflüsse ist, aufgrund des Mangels an Datenbanken die die Kinetik von Sauerstoff und relevanter Oxide (z.B. Al2O3, Cr2O3) beschreiben, nicht möglich. Da das Aufwachsen der Oxidschicht jedoch zu einem Elementverlust im MCrAlY führt, ist deren diffusionskontrollierte Bildung entscheidend für die Lebensdauer der Beschichtung und die Standzeit des gesamten Bauteils.


Im Rahmen dieses Forschungsprojektes wurde deshalb die MCrAlY Oxidation durch Kombination der Diffusionssimulationssoftware DICTRA® mit prädiktiven Oxidationsmodellen unter Verwendung mathematischer und FEM-basierender Ansätze berücksichtigt. Eine Bewertung der entwickelten Modelle erfolgte anhand eines industrierelevanten γ/β CoNiCrAlY - IN738LC Legierungssystem bei 900 °C und 1000 °C. Zur Validierung wurden Proben des Schichtsystems bis zu 12000 h ausgelagert und mittels REM, EDX, TGA, HT-XRD und EBSD untersucht.


Die Ergebnisse dieser Untersuchungen verweisen auf eine gute Korrelation von simulierten und experimentellen Daten. CoNiCrAlY und IN738LC spezifische Phasen sowie oberflächen- und substratnahe Verarmungsbereiche konnten mit zufriedenstellender Genauigkeit vorhergesagt werden. Die höchste Übereinstimmung wurde unter Verwendung eines neu entwickelten iterativen Ansatzes mit Berücksichtigung des transienten Oxidationsstadiums erreicht.



 

Sprecher/Referent:
Dipl.-Ing. Max Thorhauer
Technische Universität Dresden
Weitere Autoren/Referenten:
  • Prof. Dr. Christoph Leyens
    Technische Universität Dresden