Thermophysikalische Charakterisierung von Wärmedämmschichten
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Kevin Knopp
Kevin Knopp verfasste seine Masterthesis am Bayerischen Zentrum für angewandte Energieforschung e. V. (ZAE Bayern) in Würzburg über die Emissionsgradmessung keramischer sowie metallischer Werkstoffe bei hohen Temperaturen. Seitdem ist er an der Hochschule für angewandte Wissenschaften Würzburg-Schweinfurt als wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Fakultät Elektrotechnik im Forschungslabor opto-thermische Sensorik bei Herrn Prof. Dr. Hartmann tätig. Im Fokus seiner Arbeiten stehen die thermophysikalische Charakterisierung von Materialverbunden im Hochtemperaturbereich mittels Laser-Flash-Analyse sowie die Weiterentwicklung des Laser-Flash-Verfahrens auf simultane Vorder- und Rückseitendetektion.
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Amir Shandy
Amir Shandy ist in der Fakultät Elektrotechnik der Hochschule für angewandte Wissenschaften Würzburg-Schweinfurt als graduierter wissenschaftlicher Mitarbeiter tätig. Er schloss sein Masterstudium Mitte 2021 im Bereich Elektro- und Informationstechnik an der Hochschule für angewandte Wissenschaften Würzburg-Schweinfurt ab, indem er das Master Research Program im Labor für Messtechnik und optothermische Sensorik bei Prof. Dr. Jürgen Hartmann absolvierte. Seine Thesis handelte von der Implementierung neuer Messmethoden im Themengebiert Laser-Flash-Analysis. Seitdem arbeitet er im Themenfeld optothermische Messtechnik im Hochtemperaturbereich.
Mariacarla Arduini hat ihr Diplom in Bauingenieurwesen an der Universität Padua in Italien erworben und arbeitet seit mehr als 25 Jahren am Bayerischen Zentrum für Angewandte Energieforschung (ZAE Bayern) in Würzburg. Als Leiterin des IR-Labors und stellvertretende Leiterin der Arbeitsgruppe Angewandte IR-Metrologie beschäftigt sie sich kontinuierlich mit der Entwicklung neuer Methoden zur Verbesserung der Messverfahren und mit der Charakterisierung von Wärmedämmschichten für Hochtemperaturanwendungen.
Dr. Jochen Manara studierte Physik an der Julius-Maximilians-Universität Würzburg und promovierte dort 2001. Seit 2002 leitet er die Arbeitsgruppe Angewandte IR-Metrologie am Bayerischen Zentrum für Angewandte Energieforschung e. V. (ZAE Bayern) in Würzburg. Dabei ist er auf dem Gebiet der Entwicklung und Charakterisierung von Funktionsmaterialien für Hochtemperaturanwendungen zur Erhöhung der Energieeffizienz (z. B. von Gasturbinen) aktiv. Gemeinsam mit Forschungs- und Industriepartnern werden Wärmedämmschichten thermophysikalisch charakterisiert, was infrarot-optische Untersuchungen bei hohen Temperaturen, berührungslose Temperaturmessungen unter extremen Bedingungen und Prüfungen der Haftungseigenschaften von Beschichtungen einschließt.
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Michael Müller
Prof. Hartmann hat an der Julius-Maximilians-Universität Würzburg Physik studiert, 1996 an der Freien Universität Berlin in Physik promoviert und 2007 an der Technischen Universität Berlin in Elektrotechnik habilitiert. Er forscht seit über 25 Jahren im Bereich optische Sensorik und deren Anwendungen, insbesondere in der Hochtemperaturmesstechnik sowie für thermophysikalische Materialuntersuchungen. Seit 2010 forscht Prof. Hartmann an der FHWS und leitet das Center
Sensors and Actuators (CESA) des InstitutsDigital Engineering (IDEE) sowie das CenterAngewandte Energieforschung (CAE). Seit März 2021 ist Prof. Hartmann zudem wissenschaftlicher Leiter des Bereichs Energieeffizienz des Bayerischen Zentrums für Angewandte Energieforschung e. V.
Zusammenfassung
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.
Abstract
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.
Funding source: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
Award Identifier / Grant number: FKZ 03ET7082 - OptiTBCs
Funding source: Horizon 2020 Framework Programme
Award Identifier / Grant number: FKZ 17IND11
Funding statement: Diese Arbeit wurde gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages (FKZ 03ET7082 - OptiTBCs) und vom Bayerischen Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie (Az. 665e/366/1) sowie von der Europäischen Union (FKZ 17IND11 – Industrial process optimisation through improved metrology of thermophysical properties) im Rahmen von Horizont 2020.
Über die Autoren
Kevin Knopp verfasste seine Masterthesis am Bayerischen Zentrum für angewandte Energieforschung e. V. (ZAE Bayern) in Würzburg über die Emissionsgradmessung keramischer sowie metallischer Werkstoffe bei hohen Temperaturen. Seitdem ist er an der Hochschule für angewandte Wissenschaften Würzburg-Schweinfurt als wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Fakultät Elektrotechnik im Forschungslabor opto-thermische Sensorik bei Herrn Prof. Dr. Hartmann tätig. Im Fokus seiner Arbeiten stehen die thermophysikalische Charakterisierung von Materialverbunden im Hochtemperaturbereich mittels Laser-Flash-Analyse sowie die Weiterentwicklung des Laser-Flash-Verfahrens auf simultane Vorder- und Rückseitendetektion.
Amir Shandy ist in der Fakultät Elektrotechnik der Hochschule für angewandte Wissenschaften Würzburg-Schweinfurt als graduierter wissenschaftlicher Mitarbeiter tätig. Er schloss sein Masterstudium Mitte 2021 im Bereich Elektro- und Informationstechnik an der Hochschule für angewandte Wissenschaften Würzburg-Schweinfurt ab, indem er das Master Research Program im Labor für Messtechnik und optothermische Sensorik bei Prof. Dr. Jürgen Hartmann absolvierte. Seine Thesis handelte von der Implementierung neuer Messmethoden im Themengebiert Laser-Flash-Analysis. Seitdem arbeitet er im Themenfeld optothermische Messtechnik im Hochtemperaturbereich.
Mariacarla Arduini hat ihr Diplom in Bauingenieurwesen an der Universität Padua in Italien erworben und arbeitet seit mehr als 25 Jahren am Bayerischen Zentrum für Angewandte Energieforschung (ZAE Bayern) in Würzburg. Als Leiterin des IR-Labors und stellvertretende Leiterin der Arbeitsgruppe Angewandte IR-Metrologie beschäftigt sie sich kontinuierlich mit der Entwicklung neuer Methoden zur Verbesserung der Messverfahren und mit der Charakterisierung von Wärmedämmschichten für Hochtemperaturanwendungen.
Dr. Jochen Manara studierte Physik an der Julius-Maximilians-Universität Würzburg und promovierte dort 2001. Seit 2002 leitet er die Arbeitsgruppe Angewandte IR-Metrologie am Bayerischen Zentrum für Angewandte Energieforschung e. V. (ZAE Bayern) in Würzburg. Dabei ist er auf dem Gebiet der Entwicklung und Charakterisierung von Funktionsmaterialien für Hochtemperaturanwendungen zur Erhöhung der Energieeffizienz (z. B. von Gasturbinen) aktiv. Gemeinsam mit Forschungs- und Industriepartnern werden Wärmedämmschichten thermophysikalisch charakterisiert, was infrarot-optische Untersuchungen bei hohen Temperaturen, berührungslose Temperaturmessungen unter extremen Bedingungen und Prüfungen der Haftungseigenschaften von Beschichtungen einschließt.
Prof. Hartmann hat an der Julius-Maximilians-Universität Würzburg Physik studiert, 1996 an der Freien Universität Berlin in Physik promoviert und 2007 an der Technischen Universität Berlin in Elektrotechnik habilitiert. Er forscht seit über 25 Jahren im Bereich optische Sensorik und deren Anwendungen, insbesondere in der Hochtemperaturmesstechnik sowie für thermophysikalische Materialuntersuchungen. Seit 2010 forscht Prof. Hartmann an der FHWS und leitet das Center Sensors and Actuators (CESA) des Instituts Digital Engineering (IDEE) sowie das Center Angewandte Energieforschung (CAE). Seit März 2021 ist Prof. Hartmann zudem wissenschaftlicher Leiter des Bereichs Energieeffizienz des Bayerischen Zentrums für Angewandte Energieforschung e. V.
Literatur
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© 2021 Walter de Gruyter GmbH, Berlin/Boston
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