Evolution of the process control and the FEM-analysis of the thermal conductivity of EB-PVD thermal barrier coatings with a complex microstructure

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In dem hier beantragten Forschungsvorhaben sollen die Vorteile beider Typen von Schichten genutzt werden. Geplant ist die Entwicklung von EB-PVD-Wärmedämmschichten, die aufgrund ihrer Struktur eine signifikante verminderte Wärmeleitung aufweisen, jedoch das günstige Verhalten herkömmlicher EB-PVD-Schichten gegenüber Schädigung beibehalten. Hierzu soll durch entsprechende Bewegung des Bauteiles während der Beschichtung die kolumnare Struktur in eine "Zick-Zack"- oder auch "herring-bone" genannte Struktur gebracht werden. Durch diese Änderung der Struktur erreicht man einerseits, dass senkrecht zur Oberfläche Interfaces zwischen den einzelnen Kolumnen entstehen, die die Wärmeleitung mindern, andererseits, dass die Kolumnen länger werden als bei herkömmlichen EB-PVD-Schichten gleicher Dicke. Bei, aufgrund des gleichbleibenden Materials, sich nicht ändernden Temperaturgradienten entlang einer Kolumne ermöglicht dies trotzdem eine größere Temperaturdifferenz. Die geometrischen Daten für die Zick-Zack-Struktur, wie Form, Winkel usw., werden basierend auf FEM-Simulationen des Wärmeleitungsproblems bestimmt. Auf diese Weise wird ermöglicht, bereits im Vorfeld der Beschichtungsexperimente Aussagen zu treffen, welche Strukturen Erfolg versprechen bzw. welche verworfen werden können. Im weiteren Entwicklungsprozess werden Simulation und Experiment eng in einander greifen, so dass einerseits die Simulation Informationen zur Feineinstellung der Optimierung der Strukturen gibt und andererseits durch die experimentellen Analysen Randbedingungen und Materialeigenschaften als notwendige Daten für die Simulation bereit gestellt werden.