DE102006009465A1

DE102006009465A1 - Method for testing the durability of a layer system, in particular a thermal barrier coating system, and test device

Info

Publication number: DE102006009465A1
Application number: DE200610009465
Authority: DE
Inventors: Stefan Dr. Lampenscherf
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-03-01
Filing date: 2006-03-01
Publication date: 2007-09-06
Anticipated expiration: 2026-03-02
Also published as: DE102006009465B4; WO2007099030A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Testen der Beständigkeit eines Schichtsystems (2) vorgeschlagen, welches eine erste und eine zweite Schicht (3, 4) aufweist, die fest miteinander verbunden sind, bei dem das Schichtsystem (2) einer ersten Wärmequelle (5) ausgesetzt wird, die eine im Wesentlichen konstante, vorbestimmte Temperatur bereitstellt, wodurch das Schichtsystem homogen auf eine erste Temperatur erwärmt wird. Das Schichtsystem (2) wird ferner von einer zweiten Wärmequelle (6) in einem vorgegebenen Abschnitt lokal auf eine zweite, höhere Temperatur aufgeheizt.A method for testing the resistance of a layer system (2) is proposed which has a first and a second layer (3, 4) which are firmly connected to one another, in which the layer system (2) is exposed to a first heat source (5) , which provides a substantially constant, predetermined temperature, whereby the layer system is heated homogeneously to a first temperature. The layer system (2) is also locally heated to a second, higher temperature in a predetermined section by a second heat source (6).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Testen der Beständigkeit eines Schichtsystems, welches eine erste und eine zweite Schicht aufweist, die fest miteinander verbunden sind. Die Erfindung betrifft ferner eine Testvorrichtung zum Testen der Beständigkeit eines derartigen Schichtsystems.The The invention relates to a method for testing durability a layer system comprising a first and a second layer has, which are firmly connected to each other. The invention further relates a test device for testing the durability of such a layer system.

In der nachfolgenden Beschreibung wird auf ein Wärmedämmschicht-System Bezug genommen, wobei dies jedoch lediglich zu exemplarischen Zwecken geschieht und nicht als einschränkend zu betrachten ist.In The following description refers to a thermal barrier coating system, wherein but this is for exemplary purposes only and not as limiting is to be considered.

Eine Voraussetzung für den effizienten Einsatz von keramischen Wärmedämmschichten in Gasturbinen ist neben einer kostengünstigen Prozesstechnologie vor allem die strukturelle Stabilität und damit die Zuverlässigkeit der Wärmedämmschicht unter den typischen Einsatzbedingungen der Gasturbinen. So muss beispielsweise im Bereich von Kraftwerksanwendungen eine störungsfreie Funktion über 25.000 Betriebsstunden garantiert werden, welche Zeit dem angestrebten Revisionsintervall entspricht. Ein vorzeitiges Versagen der Wärmedämmschicht würde zur Überhitzung des Grundwerkstoffs und möglicherweise zu einem Turbinenschaden führen. Die dadurch verursachten Betriebsausfall- und Instandsetzungskosten können erheblich sein und den technologischen Nutzen der Wärmedämmschicht unter Umständen aufheben.A requirement for the efficient use of ceramic thermal barrier coatings in gas turbines is next to a cost-effective Process technology especially the structural stability and thus the reliability the thermal barrier coating under the typical conditions of use of gas turbines. So must For example, in the field of power plant applications a trouble-free Function over 25,000 operating hours are guaranteed, whichever time Revision interval corresponds. Premature failure of the thermal barrier coating would cause overheating of the base material and possibly lead to a turbine damage. The resulting business failure and repair costs can be significant and the technological benefits of the thermal barrier coating in certain circumstances cancel.

Es ist deshalb notwendig, das aus einer Wärmedämmschicht und dem Grundwerkstoff bestehende Schichtsystem einem Test hinsichtlich dessen Beständigkeit zu unterziehen. Dies ist insbesondere deshalb notwendig, da das Wärmedämmschicht-System in Zukunft härteren Einsatzbedingungen ausgesetzt sein wird.It is therefore necessary, that of a thermal barrier coating and the base material existing layer system a test for its durability to undergo. This is particularly necessary because the Thermal barrier coating system harder in the future Operating conditions will be exposed.

Auf dem Weg zu einer ressourcen- und umweltschonenden Energieerzeugung spielt die Effizienzsteigerung eine zentrale Rolle. Der entscheidende Parameter für die Effizienzsteigerung von Gasturbinen ist die Turbinen-Eintrittstemperatur. Um den Wirkungsgrad von Gasturbinen von ca. 38 % bei einer Turbinen-Eintrittstemperatur von 1230°C (ISO) auf 45 % zu steigern, ist eine Erhöhung der Turbinen-Eintrittstemperatur auf ca. 1350°C notwendig. Erreicht werden kann dieses Ziel unter Einsatz von keramischen Wärmedämmschichten neben der Verwendung verbesserter Grundwerkstoffe und effektiver Kühlungsmethoden. Dabei kann durch die thermisch isolierende Wirkung der keramischen Wärmedämmschicht unter Beibehaltung gleicher Kühlungsbedingungen je nach Dicke der Wärmedämmschicht die zulässige Oberflächentemperatur um einige 100 K gesteigert werden.On the way to a resource and environmentally friendly energy production the increase in efficiency plays a central role. The decisive one Parameters for the efficiency increase of gas turbines is the turbine inlet temperature. To the efficiency of gas turbines of about 38% at a turbine inlet temperature from 1230 ° C (ISO) to increase to 45%, is an increase in the turbine inlet temperature to about 1350 ° C necessary. This goal can be achieved by using ceramic Thermal barrier coatings besides the use of improved base materials and more effective Cooling methods. It can by the thermal insulating effect of the ceramic thermal barrier while maintaining the same cooling conditions depending on the thickness of the thermal barrier coating the allowed surface temperature increased by some 100K.

Zur Überprüfung, ob die eingesetzten Wärmedämmschicht-Systeme den Anforderungen standhalten, sind aus dem Stand der Technik verschiedene Testverfahren bekannt:
Beim zyklischen Ofentest wird das Wärmedämmschicht-System, das beispielsweise in Form eines Zylinders ausgebildet ist, zyklisch in einem Ofen erwärmt und wieder abgekühlt. Das Versagen der Wärmedämmschicht geschieht in der Regel durch eine langsame Ausbreitung einer Ablösung, der so genannten Delamination, der Wärmedämmschicht von dem Grundwerkstoff unter der Wirkung von mechanischen Eigenspannungen infolge einer thermischen Fehlanpassung zwischen der Wärmedämmschicht und dem Grundwerkstoff.In order to check whether the thermal barrier coating systems used meet the requirements, various test methods are known from the prior art:
In the cyclic furnace test, the thermal barrier coating system, which is formed for example in the form of a cylinder, cyclically heated in an oven and cooled again. The failure of the thermal barrier coating is usually done by a slow propagation of a delamination, the so-called delamination, the thermal barrier coating of the base material under the action of mechanical stresses due to a thermal mismatch between the thermal barrier coating and the base material.

Nachteilig bei diesem Testverfahren ist, dass die homogene Temperaturbelastung nicht den typischen Belastungsbedingungen einer Gasturbine entspricht. Ferner beginnt beim zyklischen Ofentest das Versagen der Wärmedämmschicht typischerweise vom Probenrand her. Dieser Versagens-Mechanismus entspricht jedoch nicht der Erfahrung aus der Praxis. Ein weiterer Nach teil besteht darin, dass der zyklische Ofentest keine Thermoschock-Belastungen, das heißt ein schnelles Aufheizen und Abkühlen, der Probe zulässt.adversely In this test method is that the homogeneous temperature load does not correspond to the typical load conditions of a gas turbine. Furthermore, the cyclic furnace test begins the failure of the thermal barrier coating typically from the sample edge. This failure mechanism However, this does not correspond to practical experience. Another After part is that the cyclic furnace test no thermal shock loads, this means a quick heating and cooling, the sample allows.

Beim zyklischen Thermogradiententest unter Verwendung eines Brenners, z.B. eines Erdgas- oder Plasmabrenners, wird eine Flach- oder Hohlzylinderprobe zyklisch mit Hilfe des Brenners aufgeheizt. Durch das gleichzeitige Kühlen der Probenrückseite bzw. Probeninnenwand kann ein definierter Temperaturgradient über die Wärmedämmschicht eingestellt und so eine den Betriebsbedingungen in der Gasturbine ähnliche Temperaturbelastung eingestellt werden. Durch ein schnelles Zu- und Abschalten des Brenners und eventuell einer zusätzlichen Verwendung einer aktiven Kühlung der Wärmedämmschicht beim Abkühlvorgang können damit harte Thermoschock-Bedingungen, das heißt schnelle Aufheiz- und Abkühlvorgänge, realisiert werden.At the cyclic thermal gradient test using a burner, e.g. a natural gas or plasma burner, becomes a flat or hollow cylinder sample cyclically heated by means of the burner. By the simultaneous Cool the back of the sample or Sample wall can be a defined temperature gradient over the thermal barrier adjusted and so the operating conditions in the gas turbine similar Temperature load can be adjusted. Through a fast delivery and switching off the burner and possibly an additional one Use of active cooling the thermal barrier coating at cooling can thus hard thermal shock conditions, that is fast heating and cooling processes realized become.

Nachteil des zyklischen Thermogradiententests ist der Umstand, dass bei der Verwendung von Flachproben der Brenner die gesamte Probenfläche nahezu homogen aufheizen muss, da es ansonsten zu einer unrealistischen Verspannung der Probe beim Abkühlvorgang kommen kann, die durch die im Vergleich kühleren Randbereiche der Probe hervorgerufen ist. Die homogene Belastung der gesamten Probenoberfläche bis zum Rand hin führt andererseits aber auch zu einem vorzeitigen Versagen der Wärmedämmschicht, beginnend vom Rand der Probe. Dies wird auch als Randeffekt bezeichnet. Dieser Versagens-Mechanismus entspricht nicht der Erfahrung von Wärmedämmschicht-Systemen, die in der Praxis eingesetzt werden. Aus diesem Grund müssen zum Einstellen von großen Temperaturgradienten und damit großen Wärmeströmen über die Wärmedämmschicht sehr leistungsfähige Brenner mit erheblichem Brennstoff- bzw. Energieverbrauch eingesetzt werden. Dies liegt zum einen daran, dass nur ein Teil der Wärme des Heißgases durch Wärmeübergang und Strahlungsabsorption in die Wärmedämmschicht eingetragen wird. Der Großteil wird nach der Umströmung der Probe in die Umgebung abgegeben. Es geht aber auch ein erheblicher Anteil des eingetragenen Wärmestroms durch Abstrahlung und Ableitung in die Umgebung verloren.Disadvantage of the cyclic thermal gradient test is the fact that when using flat samples of the burner, the entire sample surface must heat almost homogeneously, otherwise there may be an unrealistic tension of the sample in the cooling process, which is caused by the comparatively cooler edge regions of the sample. On the other hand, the homogeneous loading of the entire surface of the sample up to the edge also leads to premature failure of the thermal barrier coating, starting from the edge of the sample. This is also called edge effect. This failure mechanism does not match the experience of thermal barrier coating systems used in practice. For this reason, to set large temperature gradients th and thus large heat flows over the thermal barrier coating very powerful burner with considerable fuel or energy consumption can be used. This is due to the fact that only a portion of the heat of the hot gas is introduced by heat transfer and radiation absorption in the thermal barrier coating. The majority is released after the flow around the sample into the environment. But it is also a significant proportion of the registered heat flow lost by radiation and dissipation into the environment.

Geringere Wärmeverluste lassen sich erzielen, wenn der zyklische Thermogradiententest unter Verwendung eines Lasers oder einer Lampe als Energiequelle durchgeführt wird. Allerdings eignen sich sowohl der Laser als auch der Lampentest nicht für einen Dauertest mit Testzeiten von mehr als 1.000 Stunden.lower heat loss can be achieved when the cyclic thermogradient test using a laser or a lamp is performed as an energy source. However, both the laser and the lamp test are suitable not for one Endurance test with test times of more than 1,000 hours.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Testen der Beständigkeit eines Schichtsystems sowie eine Testvorrichtung zum Testen der Beständigkeit eines Schichtsystems anzugeben, welche die oben erläuterten Nachteile nicht aufweisen.It It is therefore an object of the present invention to provide a method for Testing the resistance a layer system and a test device for testing the resistance specify a layer system, which explained above Do not have disadvantages.

Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 sowie durch eine Testvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 14 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich jeweils aus den abhängigen Ansprüchen.These Tasks are performed by a method having the features of the claim 1 and by a test device with the features of the claim 14 solved. Advantageous embodiments will be apparent from the dependent claims.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Testen der Beständigkeit eines Schichtsystems, welche eine erste und eine zweite Schicht aufweist, die fest miteinander verbunden sind, wird das Schichtsystem einer ersten Wärmequelle ausgesetzt, die eine im Wesentlichen konstante, vorbestimmte Temperatur bereitstellt, wodurch das Schichtsystem homogen auf eine erste Temperatur erwärmt wird. Weiter wird das Schichtsystem von einer zweiten Wärmequelle in einem vorgegebenen Abschnitt auf eine zweite, höhere Temperatur aufgeheizt.at the method according to the invention for testing the resistance a layer system comprising a first and a second layer has, which are firmly connected to each other, the layer system a first heat source exposed to a substantially constant, predetermined temperature providing, whereby the layer system homogeneous to a first temperature heated becomes. Next, the layer system of a second heat source in a given section to a second, higher temperature heated.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass eine "Grundtemperatur" durch die erste Wärmequelle bereitgestellt wird, so dass die zweite Wärmequelle nur noch den Temperaturgradienten über dem zu testenden Schichtsystem zu erzeugen braucht. Damit ist insgesamt ein energie effizienterer Betrieb möglich, da insbesondere die zweite Wärmequelle eine lediglich geringe Leistung aufzuweisen braucht. Dies verringert den Brennstoff- bzw. Energieverbrauch und damit auch die Betriebskosten eines Tests. Dies erlaubt wiederum längere Testzeiten, was insbesondere für die Überprüfung von Schichtsystemen im Rahmen von Lebensdauer-Modellen sehr vorteilhaft ist.Of the Advantage of the method according to the invention is that a "basic temperature" through the first heat source is provided so that the second heat source only the temperature gradient over the needs to produce to be tested layer system. This is total a more energy efficient operation possible, especially since the second heat source only has to show a low performance. This reduces the fuel and energy consumption and thus the operating costs a test. This in turn allows longer test times, which in particular for the review of Layer systems in the context of lifetime models is very beneficial.

Es kann dabei weiter vorgesehen sein, dass die zweite Wärmequelle zyklisch betrieben wird. Insbesondere ist es zweckmäßig, wenn die von der zweiten Wärmequelle abgegebene Wärmestrahlung direkt auf die zweite Schicht des Schichtsystems gerichtet wird.It can be further provided that the second heat source is cyclically operated. In particular, it is expedient if that from the second heat source emitted heat radiation directly is directed to the second layer of the layer system.

Durch eine homogene Erwärmung des Schichtsystems in der ersten Wärmequelle und eine lokale Einwirkung der zweiten Wärmequelle wird einerseits das Problem eines kalten Probenrands vermieden, andererseits wirkt sich auch das Auftreten von Randeffekten nicht auf den Schädigungsprozess in einem lokalen Einwirkungsbereich der zweiten Wärmequelle aus. Es ist deshalb möglich, dass die von der zweiten Wärmequelle abgegebene Wärmestrahlung einen (lokalen) zweiten Flächenabschnitt der zweiten Schicht bestrahlt, die kleiner als die Fläche der zweiten Schicht ist. Dies gestattet die Verwendung von großen Proben und damit die Durchführung mehrerer Tests pro Probe. Ferner ist eine nachträgliche Verwendung der Proben in anderen Testverfahren, z.B. mechanischen Tests, möglich. Damit wird auch der Test von ganzen Bauteilen, wie z.B. Hitzeschildplatten, ermöglicht.By a homogeneous heating of the layer system in the first heat source and a local action the second heat source on the one hand avoids the problem of a cold sample edge, On the other hand, the appearance of edge effects does not affect on the damage process in a local area of action of the second heat source. It is because of that possible, that from the second heat source emitted heat radiation a (local) second surface portion of irradiated second layer, which is smaller than the area of the second layer is. This allows the use of large samples and thus the implementation several tests per sample. Furthermore, a subsequent use of the samples in other test methods, e.g. mechanical tests, possible. In order to the test of whole components, e.g. Heat shield panels, allows.

Zur Durchführung von schnellen Aufheiz- bzw. Abkühlvorgängen sowie zum Einstellen eines Temperaturgradienten über dem Schichtsystem, ist es zweckmäßig, wenn der ersten Schicht des Schichtsystems eine Kühlvorrichtung zugeordnet ist, welche zumindest einen ersten Flächenabschnitt der ersten Schicht kühlt. Ein lokaler Temperaturgradient über das Schichtsystem lässt sich dabei dann einstellen, wenn der erste Flächenab schnitt dem zweiten Flächenabschnitt, welcher durch die zweite Wärmequelle direkt bestrahlt wird, gegenüber angeordnet ist.to execution of rapid heating or cooling processes as well it is to set a temperature gradient across the layer system appropriate if the first layer of the layer system is associated with a cooling device, which at least a first surface section the first layer cools. A local temperature gradient over the layer system leaves then adjust when the first Flächenab section the second surface section, which through the second heat source is directly irradiated, opposite is arranged.

Die Kühlung zumindest des ersten Flächenabschnitts der ersten Schicht kann wahlweise durch Konvektion oder ein Kühlmedium, z.B. Luft, erfolgen.The cooling at least the first surface section the first layer may optionally be by convection or a cooling medium, e.g. Air, done.

Als erste Wärmequelle wird zweckmäßigerweise ein energieeffizienter Ofen eingesetzt, der eine durch Seitenwände sowie Boden und Decke gebildete Kammer aufweist, wobei das zu prüfende Schichtsystem zum Erwärmen auf die erste Temperatur vollständig in der Kammer angeordnet wird. Als zweite Wärmequelle wird eine Direktstrahlung erzeugende Wärmequelle verwendet, die durch eine der Seitenwände in die Kammer hindurch hineinragt und im Inneren der Kammer die zweite Schicht des Schichtsystems auf die zweite Temperatur aufheizt. Dies erlaubt, wie eingangs bereits erläutert, den Einsatz eines Brenners mit geringer Leistung.When first heat source is expediently An energy efficient stove is used, one through side walls as well Floor and ceiling formed chamber, wherein the test layer system for heating to the first temperature completely is arranged in the chamber. The second heat source is direct radiation generating heat source used through one of the side walls in the chamber protrudes and inside the chamber, the second layer of the layer system heats up to the second temperature. This allows, as already mentioned explains the use of a burner with low power.

Alternativ kann die erste Wärmequelle als Ofen ausgebildet sein, der eine durch Seitenwände sowie Boden und Decke gebildete Kammer aufweist, wobei das zu prüfende Schichtsystem derart in der Kammer angeordnet wird, dass dieses einen Wandabschnitt aus einer der Seitenwände der Ofenkammer ausbildet, so dass die erste Schicht des Schichtsystems eine Innenwand der Kammer ausbildet und die zweite Schicht außerhalb der Kammer angeordnet ist, wobei die erste Schicht des Schichtsystems auf die erste Temperatur erwärmt wird. Die zweite Wärmequelle ist eine Direktstrahlung erzeugende Wärmequelle ist, die, der zweiten Schicht zugewandt, außerhalb des Ofens angeordnet wird und die zweite Schicht des Schichtsystems außerhalb der Kammer auf die zweite Temperatur aufheizt. Ein Vorteil dieser Variante besteht darin, dass die störende Wirkung von durch die zweite Wärmequelle abgegebenen Brennergase vermieden werden kann. Das in dem Ofen eingestellte Temperaturniveau wird damit durch die Brennergase nicht gestört.Alternatively, the first heat source may be formed as a furnace having a chamber formed by side walls and bottom and ceiling, wherein the layer system to be tested is arranged in the chamber such that it forms a wall portion of one of the side walls of the furnace chamber, so that the first layer of the layer system forms an inner wall of the chamber and the second layer is disposed outside the chamber, the first layer of the layer system is heated to the first temperature. The second heat source is a direct radiation heat source which, facing the second layer, is disposed outside the furnace and heats the second layer of the layer system outside the chamber to the second temperature. An advantage of this variant is that the disturbing effect of discharged by the second heat source burner gases can be avoided. The set in the oven temperature level is thus not disturbed by the burner gases.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht vorteilhafterweise als zu prüfendes Schichtsystem die Verwendung einer Flachprobe mit zwei gegenüberliegenden, parallelen und ebenen Flächen. Insbesondere kann die Größe der Flachprobe derart bemessen werden, dass lediglich an lokalen Flächenabschnitten ein bestimmungsgemäßer Temperaturgradient eingestellt wird. Ferner ermöglicht es die Verwendung einer Flachprobe, anschließend andere Testverfahren, z.B. mechanische Tests, durchzuführen.The inventive method allows advantageously as to be tested Layer system the use of a flat sample with two opposite, parallel and flat surfaces. Especially can the size of the flat sample be sized so that only on local surface sections a specified temperature gradient is set. Furthermore allows the use of a flat sample, then other test methods, e.g. mechanical tests.

Das dem Test unterzogene Schichtsystem mit einer ersten und einer zweiten Schicht weist als erste Schicht ein Grund- bzw. Trägermaterial aus einer Superlegierung auf, welche für Hochtemperaturanwendungen geeignet ist. Die zweite Schicht stellt eine Wärmedämmschicht aus einem keramischen Material dar.The Tested layer system with a first and a second Layer has as its first layer a base or carrier material from a superalloy, which for high temperature applications suitable is. The second layer provides a thermal barrier coating of a ceramic material represents.

Mit der erfindungsgemäßen Testvorrichtung zum Testen der Beständigkeit eines Schichtsystems sind die gleichen Vorteile verbunden, wie sie vorstehend in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Testverfahren beschrieben wurden.With the test device according to the invention for Testing the resistance of a shift system have the same advantages as they do described above in connection with the test method according to the invention were.

Eine erfindungsgemäße Testvorrichtung zum Testen der Beständigkeit eines Schichtsystems, welche eine erste und eine zweite Schicht aufweist, die fest miteinander verbunden sind, weist Folgendes auf: Eine erste Wärmequelle zur Bereitstellung einer im Wesentlichen konstanten, vorbestimmten Temperatur, der das Schichtsystem aussetzbar ist, wodurch das Schichtsystem homogen auf eine erste Temperatur erwärmbar ist. Eine, insbesondere zyklisch betreibbare, zweiten Wärmequelle, die dazu ausgebildet ist, das Schichtsystem in einem vorgegebenen Abschnitt auf eine zweite, höhere Temperatur aufzuheizen.A Test device according to the invention for testing the resistance a layer system comprising a first and a second layer which are firmly connected together, has the following: A first heat source to provide a substantially constant, predetermined Temperature to which the layer system can be exposed, causing the layer system can be heated homogeneously to a first temperature. One, in particular cyclically operable, second heat source, which is adapted to the layer system in a predetermined section to a second, higher one To heat up the temperature.

In einer Ausführungsform ist die erste Wärmequelle ein Ofen, der eine durch Seitenwände sowie Boden und Decke gebildete Kammer aufweist, mit dem zumindest die erste Schicht auf die erste Temperatur erwärmbar ist. Die zweite Wärmequelle ist gemäß einer Ausführungsform eine Direktstrahlung erzeugende Wärmequelle, wie ein Erdgas- oder Plasmabrenner oder ein Laser oder eine Lampe, welche der zweiten Schicht zur Erzeugung eines, insbesondere lokalen, Temperaturgradienten zugeordnet ist.In an embodiment is the first heat source an oven, one through side walls and bottom and ceiling formed chamber, with the at least the first layer can be heated to the first temperature. The second heat source is according to a embodiment direct heat generating heat source such as natural gas or plasma torch or a laser or a lamp, which is the second Layer for generating a, in particular local, temperature gradient assigned.

In einer weiteren Ausführungsform weist die Testvorrichtung eine Kühlvorrichtung auf, welche der ersten Schicht des Schichtsystems zugeordnet ist, wenn diese sich in der Testvorrichtung befindet. Die Kühlvorrichtung kann unmittelbar an die erste Schicht des Schichtsystems angrenzen, wenn diese sich in der Testvorrichtung befindet. Die Kühlvorrichtung kann auch von der ersten Schicht des Schichtsystems beabstandet angeordnet ist, so dass ein Spalt zwischen der Kühlvorrichtung und der ersten Schicht gebildet ist, wenn diese sich in der Testvorrichtung befindet. Die Kühlvorrichtung kann ein Kühlmedium in Richtung der ersten Seite ausstoßen oder als geschlossenes System ausgebildet sein, in dem ein Kühlmedium strömt und welches eine Kühlung durch Konvektion herbeiführt.In a further embodiment the test device has a cooling device which is associated with the first layer of the layer system, if this is located in the test device. The cooling device can directly adjoin the first layer of the layer system, if it is in the test device. The cooling device can also be spaced from the first layer of the layer system is arranged so that a gap between the cooling device and the first layer is formed when it is in the test device. The cooler can be a cooling medium Eject in the direction of the first page or as closed Be formed system in which a cooling medium flows and which a cooling through Convection causes.

Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Testvorrichtung sieht vor, dass das zu prüfende Schichtsystem vollständig in der Kammer des Ofens angeordnet ist. Dabei ragt die zweite Wärmequelle durch eine der Seitenwände in die Kammer des Ofens hinein, so dass die zweite Schicht des Schichtsystems im Inneren der Kammer auf die zweite Temperatur aufheizbar ist.A another embodiment the test device according to the invention provides that the to be tested Layer system completely is arranged in the chamber of the furnace. The second heat source protrudes through one of the side walls into the chamber of the oven, leaving the second layer of the coating system inside the chamber can be heated to the second temperature.

In einer anderen Ausführungsform bildet das zu prüfende Schichtsystem einen Wandabschnitt einer der Seitenwände der Ofenkammer aus, so dass die erste Schicht des Schichtsystems eine Innenwand der Kammer ausbildet und die zweite Schicht außerhalb der Kammer angeordnet ist. Dabei ist die zweite Wärmequelle außerhalb des Ofens angeordnet, so dass die zweite Schicht des Schichtsystems außerhalb der Kammer auf die zweite Temperatur aufheizbar ist.In another embodiment forms the test to be tested Layer system a wall portion of one of the side walls of the Furnace chamber, so that the first layer of the layer system a Inner wall of the chamber forms and the second layer outside the chamber is arranged. Here is the second heat source outside of the furnace, so that the second layer of the layer system outside the chamber can be heated to the second temperature.

Es ist weiter vorgesehen, dass das Schichtsystem als Flachprobe mit zwei gegenüberliegenden, parallelen und ebenen Flächen ausgebildet ist, wobei die zweite Schicht eine Wärmedämmschicht aus einem keramischen Material und die erste Schicht ein Grund- bzw. Trägermaterial aus einer Superlegierung ist, welche geeignet für Hochtemperatur-Anwendungen ist.It is further provided that the layer system as a flat sample with two opposite, parallel and flat surfaces is formed, wherein the second layer is a thermal barrier layer of a ceramic Material and the first layer a base or carrier material Made of a superalloy which is suitable for high temperature applications is.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:Further Features and advantages of the invention are described below with reference to the Figures closer explained. Show it:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Testvorrichtung zum Testen der Beständigkeit eines Schichtsystems, bei dem das zu prüfende Schichtsystem vollständig im Inneren einer Ofenkammer angeordnet ist, und 1 a first embodiment of a test device according to the invention for testing the durability of a layer system in which the layer system to be tested is arranged completely inside a furnace chamber, and

2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Testvorrichtung bei der das zu prüfende Schichtsystem einen Bestandteil einer Seitenwand der Ofenkammer bildet. 2 a further embodiment of a test device according to the invention in which the layer system to be tested forms part of a side wall of the furnace chamber.

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Testvorrichtung 1 zum Testen der Beständigkeit eines Schichtsystems 2. Die Testvorrichtung 1 umfasst als erste Wärmequelle einen Ofen 5. Der im Querschnitt dargestellte Ofen umfasst Seitenwände 12, 13 sowie einen Boden 14 und eine Decke 15, welche eine Brennkammer des Ofens 5 ausbilden. Das Schichtsystem 2, bestehend z.B. aus einem Grund- bzw. Trägermaterial 3 (z.B. aus einer Superlegierung) sowie einer Wärmedämmschicht 4 (z.B. aus einem keramischen Material), ist im Inneren der Kammer des Ofens 5 angeordnet. 1 shows a first embodiment of a test device according to the invention 1 for testing the durability of a coating system 2 , The test device 1 includes as the first heat source an oven 5 , The furnace shown in cross-section comprises side walls 12 . 13 as well as a floor 14 and a blanket 15 which is a combustion chamber of the furnace 5 form. The shift system 2 , consisting for example of a base or carrier material 3 (eg from a superalloy) as well as a thermal barrier coating 4 (eg of a ceramic material), is inside the chamber of the furnace 5 arranged.

Durch eine Öffnung 16 in der Seitenwand 13 ragt ein Brenner 6, z.B. ein Erdgas- oder Plasmabrenner oder ein Laser oder eine Lampe in das Innere der Kammer des Ofens 5 hinein, wobei der Brenner der Wärmedämmschicht 4 zugeordnet ist. Der Bren ner 6 und die Wärmedämmschicht 4 des Schichtsystems 2 sind derart zueinander angeordnet, dass die von dem Brenner 6 abgegebene Direktstrahlung einen ersten Flächenabschnitt 8 der Wärmedämmschicht 4 erwärmt, welcher bevorzugt kleiner als die Gesamtfläche der Wärmedämmschicht ist. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass der Brenner 6 lediglich einen lokalen Bereich der Wärmedämmschicht über das Temperaturniveau des Ofens 5 hinaus erwärmt. Gegenüberliegend, das heißt dem Grund- bzw. Trägermaterial 3 zugewandt, ist eine Kühlvorrichtung 11, welche einen zweiten Flächenabschnitt 7 des Grund- bzw. Trägermaterials 3 kühlt. Der erste und der zweite Flächenabschnitt 8, 7 weisen in etwa die gleiche Größe auf, wodurch sich ein Temperaturgradient über die Wärmedämmschicht 4 einstellt.Through an opening 16 in the sidewall 13 a burner sticks out 6 For example, a natural gas or plasma torch or a laser or a lamp in the interior of the chamber of the furnace 5 into it, with the burner of the thermal barrier coating 4 assigned. The burner 6 and the thermal barrier coating 4 of the shift system 2 are arranged to each other, that of the burner 6 direct radiation emitted a first surface section 8th the thermal barrier coating 4 heated, which is preferably smaller than the total area of the thermal barrier coating. In other words, this means that the burner 6 only a local area of the thermal barrier over the temperature level of the furnace 5 warmed up. Opposite, that is the base or carrier material 3 facing, is a cooling device 11 , which a second surface section 7 of the base or carrier material 3 cools. The first and the second surface section 8th . 7 have approximately the same size, resulting in a temperature gradient over the thermal barrier coating 4 established.

Die durch eine Öffnung 17 der Seitenwand 12 ins Innere der Kammer ragende Kühlvorrichtung 11 kann, wie in 1 dargestellt, beabstandet zu der Grund- bzw. Trägerschicht 3 angeordnet sein. Zwischen der Kühlvorrichtung 11 und dem Grund- bzw. Trägermaterial ist ein Spalt 20 gebildet. Die Kühlvorrichtung 11 transportiert in dieser Variante ein Kühlmedium, z.B. Luft, in den Bereich des ersten Flächenabschnitts 7. In einer nicht dargestellten Variante könnte eine Kühlung des ersten Flächenabschnitts 7 auf Basis von Konvektion erfolgen. Dazu müsste die Kühlvorrichtung 11 im Bereich des ersten Flächenabschnitts an dem Grund- bzw. Trägermaterial 3 anliegen. Die Kühlung wird durch ein im Inneren der Kühlvorrichtung 11 strömendes Kühlmedium bewirkt.The through an opening 17 the side wall 12 inside the chamber protruding cooling device 11 can, as in 1 shown spaced from the base layer 3 be arranged. Between the cooler 11 and the base material is a gap 20 educated. The cooling device 11 transported in this variant, a cooling medium, for example air, in the region of the first surface section 7 , In a variant, not shown, a cooling of the first surface portion 7 based on convection. This would require the cooling device 11 in the region of the first surface section on the base or carrier material 3 issue. The cooling is done by a inside of the cooling device 11 flowing cooling medium causes.

Ein Vorteil der in 1 gezeigten Testvorrichtung ist der geringe Energieverbrauch, da das zu prüfende Schichtsystem 2 vollständig im Inneren des Ofens 5 angeordnet ist. Dadurch kann der Brenner 6 klein dimensioniert werden, da dieser aufgrund der in der Kammer des Ofens 5 vorherrschenden Temperatur lediglich denjenigen Temperaturbetrag in dem zweiten Flächenabschnitt 8 darüber hinaus zu erzeugen braucht, der über die Grundtemperatur des Ofens hinausgeht.An advantage of in 1 The test device shown is the low energy consumption, since the layer system to be tested 2 completely inside the oven 5 is arranged. This allows the burner 6 be sized small, because of this in the chamber of the furnace 5 prevailing temperature only the temperature amount in the second surface portion 8th Moreover, beyond the basic temperature of the furnace needs to be generated.

In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Testvorrichtung dargestellt. Im Gegensatz zu 1 ist das zu prüfende Schichtsystem 2 nicht im Inneren der Kammer des Ofens 5 angeordnet, sondern bildet einen Teil der Seitenwand 13 des Ofens 5 aus. Dabei ist das Schichtsystem 2 derart in der Seitenwand angeordnet, dass das Grund- bzw. Trägermaterial 3 dem Inneren der Ofenkammer zugewandt ist und in etwa in einer Ebene mit einer Innenwand 18 der Kammer abschließt. Die Wärmedämmschicht 4 des Wärmedämmschicht-Systems 2 ist hingegen außerhalb der Ofenkammer angeordnet und ragt lediglich beispielhaft über eine Außenwand 19 des Ofens 5 hinaus. Dadurch bedingt ist ebenfalls der Brenner 6 außerhalb der Ofenkammer gelegen, wodurch die von diesem erzeugten Brenngase nicht in den Ofenraum eingeleitet werden und somit das von dem Ofen 5 eingestellte Temperaturniveau nicht verfälscht wird. Gegenüber der in 1 gezeigten Variante ergibt sich ein geringfügig erhöhter Energieverbrauch aufgrund von Wärmeverlusten über das Wärmedämmschicht-System 2. Die Kühlvorrichtung 11 kann im Übrigen wie in Verbindung mit 1 beschrieben, ausgebildet sein.In 2 a second embodiment of a test device according to the invention is shown. In contrast to 1 is the layer system to be tested 2 not inside the chamber of the furnace 5 arranged, but forms part of the side wall 13 of the oven 5 out. Here is the layer system 2 arranged in the side wall such that the base or carrier material 3 the interior of the furnace chamber faces and approximately in a plane with an inner wall 18 completes the chamber. The thermal barrier coating 4 the thermal barrier coating system 2 on the other hand, it is arranged outside the furnace chamber and protrudes only by way of example over an outer wall 19 of the oven 5 out. Due to this is also the burner 6 located outside the furnace chamber, whereby the fuel gases generated by this are not introduced into the furnace chamber and thus that of the furnace 5 set temperature level is not distorted. Opposite the in 1 shown variant results in a slightly increased energy consumption due to heat loss through the thermal barrier coating system 2 , The cooling device 11 By the way, as in connection with 1 described, be trained.

Die vorgeschlagenen Testvorrichtungen stellen eine Kombination der aus dem Stand der Technik bekannten Brenner- bzw. Ofentests dar. Der Ofen 5 liefert dabei das Temperaturniveau des metallischen Grundmaterials 3, während der Brenner 6 lokal einen Temperaturgradienten in dem Schichtsystem 2 überlagert und damit die gewünschte, zu überprüfende Oberflächen-Temperatur einstellt.The proposed test devices are a combination of the burner tests known from the prior art. The oven 5 supplies the temperature level of the metallic base material 3 while the burner 6 locally a temperature gradient in the layer system 2 superimposed and thus sets the desired surface temperature to be checked.

Der Brenner muss damit vorteilhafterweise lediglich den lokalen Temperaturgradienten über der Wärmedämmschicht 4 erzeugen. Das Temperaturniveau des Wärmedämmschicht-Systems wird durch den Energie-effizienteren Ofen aufrecht erhalten. Damit kann ein Brenner mit geringerer Leistung eingesetzt werden, was den Brennstoffverbrauch und damit auch die Betriebskosten verringert. Dies erlaubt wiederum verlängerte Testzeiten, was insbesondere für die Überprüfung von Wärmedämmschicht-Lebensdauermodellen vorteilhaft ist.The burner must thus advantageously only the local temperature gradient over the thermal barrier coating 4 produce. The temperature level of the thermal barrier coating system is maintained by the more energy efficient furnace. This can be used with a lower power burner, which reduces fuel consumption and thus the operating costs. This in turn allows extended test times, which is particularly advantageous for the review of thermal barrier life models.

Durch die homogene Erwärmung der Probe im Ofen und die nur lokale Einwirkung des Brenners wird einerseits das Problem eines kalten Probenrandes vermieden, andererseits wirkt sich auch das Auftreten von Randeffekten nicht auf den Schädigungsprozess im lokalen Einwirkungsbereich des Brenners aus. Dies gestattet die Verwendung von großen Proben und somit die Durchführung mehrerer Tests pro Probe sowie die nachträgliche Verwendung der Proben in anderen Testverfahren, wie z.B. mechanischen Tests.By homogeneous heating the sample in the oven and the only local action of the burner is on the one hand avoided the problem of a cold sample edge, on the other hand Also, the appearance of edge effects does not affect the damage process in the local area of influence of the burner. This allows the Use of large Samples and thus the implementation several tests per sample and the subsequent use of the samples in other test methods, e.g. mechanical tests.

Claims

Method for testing the durability of a layer system ( 2 ), which comprises a first and a second layer ( 3 . 4 ), which are firmly connected to each other, in which the layer system ( 2 ) a first heat source ( 5 ), which provides a substantially constant, predetermined temperature, whereby the layer system ( 2 ) is heated homogeneously to a first temperature, and in which the layer system ( 2 ) from a second heat source ( 6 ) is heated locally in a predetermined section to a second, higher temperature.

Method according to claim 1, characterized in that the second heat source ( 6 ) is cyclically operated.

Method according to claim 1 or 2, characterized in that that of the second heat source ( 6 ) radiated heat directly to the second layer ( 4 ) of the layer system is directed.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that that of the second heat source ( 6 ) emitted heat radiation a second surface portion ( 8th ) of the second layer ( 4 ), which is smaller than the area of the second layer ( 4 ).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the first layer ( 3 ) of the layer system ( 2 ) a cooling device ( 11 ) is assigned, which at least a first surface section ( 7 ) of the first layer ( 3 ) cools.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the cooling of at least the first surface portion ( 7 ) of the first layer ( 3 ) by convection or by a cooling medium.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the first heat source ( 5 ) is a furnace having a chamber formed by side walls and floor and ceiling, wherein the layer system to be tested ( 2 ) is arranged to be heated to the first temperature completely in the chamber.

Method according to claim 7, characterized in that the second heat source ( 6 ) is a direct radiation generating heat source, which projects through one of the side walls in the chamber and inside the chamber, the second layer of the layer system ( 2 ) heats up to the second temperature.

Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the first heat source ( 5 ) is a furnace having a chamber formed by side walls and floor and ceiling, wherein the layer system to be tested ( 2 ) is arranged in the chamber such that it forms a wall portion of one of the side walls of the furnace chamber, so that the first layer ( 3 ) of the layer system ( 2 ) forms an inner wall of the chamber and the second layer ( 4 ) is arranged outside the chamber, wherein the first layer ( 3 ) of the layer system is heated to the first temperature.

Method according to claim 9, characterized in that the second heat source ( 6 ) is a direct radiation generating heat source, the second layer ( 4 ), is arranged outside the furnace and the second layer ( 4 ) of the layer system ( 2 ) heats outside the chamber to the second temperature.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that as layer system to be tested ( 2 ) a flat sample with two opposite, parallel and flat surfaces is used.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the first layer ( 3 ) is a superalloy substrate suitable for high temperature applications.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the second layer ( 4 ) is a thermal barrier coating made of a ceramic material.

Test device for testing the durability of a layer system ( 2 ), which comprises a first and a second layer ( 3 . 4 ), which are fixedly connected to each other, with - a first heat source ( 5 ) for providing a substantially constant, predetermined temperature, which the layer system ( 2 ), whereby the layer system ( 2 ) is homogeneously heated to a first temperature, - a, in particular cyclically operable, second heat source ( 6 ), which is adapted to the Layer system ( 2 ) in a given section ( 8th ) to a second, higher temperature.

Test device according to claim 14, characterized in that the first heat source ( 5 ) is a furnace having a chamber formed by side walls and floor and ceiling, with which at least the first layer ( 3 ) Can be heated to the first temperature.

Test device according to claim 14 or 15, characterized in that the second heat source ( 6 ) is a direct radiation generating heat source, such as a natural gas or plasma torch or a laser or a lamp, which the second layer ( 4 ) is assigned to generate a, in particular local, temperature gradient.

Test device according to one of claims 14 to 16, characterized in that it comprises a cooling device ( 11 ), which of the first layer ( 3 ) of the layer system ( 2 ) when it is in the test device ( 1 ) is located.

Test device according to claim 17, characterized in that the cooling device ( 11 ) directly to the first layer ( 3 ) of the layer system ( 2 ) when it is in the test device ( 1 ) is located.

Test device according to claim 17, characterized in that the cooling device ( 11 ) from the first layer ( 3 ) of the layer system ( 2 ) is spaced so that a gap ( 20 ) between the cooling device ( 11 ) and the first layer ( 3 ) is formed when it is in the test device ( 1 ) is located.

Test device according to one of claims 17 to 19, characterized in that the cooling device ( 11 ) ejects a cooling medium in the direction of the first layer.

Test device according to one of claims 17 to 20, characterized in that the cooling device ( 11 ) is formed as a closed system in which a cooling medium flows and which brings about a cooling by convection.

Test device according to one of claims 15 to 21, characterized in that the layer system to be tested ( 2 ) is arranged completely in the chamber of the furnace.

Test device according to claim 22, characterized in that the second heat source ( 6 ) protrudes through one of the side walls in the chamber of the furnace, so that the second layer ( 4 ) of the layer system in the interior of the chamber to the second temperature is heated.

Test device according to one of claims 15 to 21, characterized in that the layer system to be tested ( 2 ) forms a wall portion of one of the side walls of the furnace chamber, so that the first layer of the layer system forms an inner wall of the chamber and the second layer ( 4 ) is arranged outside the chamber.

Test device according to claim 24, characterized in that the second heat source ( 6 ) is arranged outside the furnace, so that the second layer ( 4 ) of the layer system ( 2 ) is heated to the second temperature outside the chamber.

Test device according to one of claims 14 to 25, characterized in that the layer system ( 2 ) is formed as a flat sample with two opposite, parallel and flat surfaces, wherein the second layer ( 4 ) is a thermal barrier coating of a ceramic material and the first layer is a superalloy base material suitable for high temperature applications.