Thermo-mechanical degradation and mitigation of molten volcanic ash wetting on thermal barrier coatings of jet engine turbine blades

• Main Author: Lokachari, Siddharth
• Format: Thesis
• Language: English
• Published: Ludwig-Maximilians-Universität München 2020
• Subjects: 500; 550; FOS Earth and related environmental sciences; Kamen’; Reine; Eyjafjallajökull; Iceland
• Online Access: https://dx.doi.org/10.5282/edoc.27010; https://edoc.ub.uni-muenchen.de/id/eprint/27038

Modern gas turbine engines employed in power and aerospace industries extensively utilize thermal barrier coatings (TBCs) to protect the structural integrity of engine components against any rapid degradation at extremely high temperatures (1300-1500 °C). TBCs typically consist of 7 wt% yttria-stabilized zirconia (YSZ/7YSZ) and are mainly produced by atmospheric plasma spray (APS) and electron beam-physical vapor deposition (EB-PVD). In the course of ever higher engine operation temperatures due to a continuous increase of aircraft engine efficiency, the coatings have become vulnerable to interactions with and degradation by atmospheric contaminants (environmental dust) such as volcanic ash and desert sand. In particular, damage to TBCs by molten volcanic ash pose a serious threat to the durability of YSZ TBCs. The deterioration of the TBCs, originate by surficial wetting of by molten volcanic ash, followed by infiltration into the TBCs and solidification of the melt, an increased thermo-mechanical stress within the coating occurs. This leads to crack formation due to the alternating thermal excursion during operation of the engine, which could potentially lead to the spallation of TBCs. In order to gain a deeper understanding of the initial cracking, the mechanical properties of solidified volcanic glass within the infiltrated TBCs were determined experimentally in this thesis. For the first time, thermal shock experiments (from 1300 °C to room temperature) were performed on silicate melt wetted TBCs, followed by a characterization of the resulting thermomechanical damage. To investigate the influence of different chemistries, 3 different volcanic ashes were used: Kilauea, Hawaii, USA (basaltic); Eyjafjallajökull, Iceland (trachy-andesitic); Cordon Caulle, Chile (rhyolitic). Mechanical properties of the volcanic ash glasses were determined and Eyjafjallajökull volcanic ash was chosen for this study, as it possessed a higher elastic modulus compared to Kilauea and Cordon Caulle volcanic ash. Low fracture toughness and a high elastic modulus within the infiltrated area of the TBCs during the thermal shock regime was attributed to the generation of microcracks. EB-PVD-TBCs are characterized by a columnar structure, whereas APS-TBCs have a lamellar layer structure. For jet engine turbine blades, EB-PVD coatings are preferred over APS-TBCs as they offer a higher in-plane strain tolerance. However, compared to the lamellar APS structure, they are more susceptible to infiltration of molten volcanic ash. In this thesis, the deposition of volcanic ash on EB-PVD TBCs was investigated experimentally. For this purpose, Eyjafjallajökull ash was deposited on EB-PVD TBCs by thermal spraying. The morphological development of the melting volcanic ash micro globules during infiltration into the columnar TBC structure was characterized by in-situ high-temperature dilatometry measurements. The results show the deposition dynamics of the volcanic ash particles on TBCs and thus allow conclusions on possible effects regarding interaction of volcanic ash with coated turbine blades. Finally, the mitigation potential of novel TBCs with hexagonal boron nitride (h-BN) additives against the deposition of molten volcanic ash was investigated in this dissertation. The experiments show that pure h-BN substrates have non-wetting properties under vacuum conditions at 1250 °C. The conclusions from these studies were useful for the subsequent comparison of conventional YSZ-TBCs with h-BN doped YSZ-TBCs under atmospheric conditions. It was shown that h-BN doped YSZ-TBCs are more resistant to molten volcanic ash than conventional YSZ-TBCs due to reduced infiltration and improved wetting resistance. This work serves as a proof of concept that more candidate materials exhibit resilience towards molten silicate attack. : Heutige Gasturbinentriebwerke sind auf Wärmedämmschichten (thermal barrier coating - TBC) angewiesen um strukturelle Komponenten des Triebwerks vor extrem hohen Temperaturen (1300-1500 °C) zu schützen. TBCs bestehen typischerweise aus 7 Gew.-% Yttrium stabilisiertem Zirkonoxid (YSZ) und werden hauptsächlich durch atmosphärisches Plasmaspritzen (atmospheric plasma spray–APS) und Elektronenstrahlverdampfung (electron beam–physical vapor deposition – EB-PVD) hergestellt. Im Zuge der kontinuierlichen Effizienzsteigerung von Flugzeugtriebwerken durch immer höhere Betriebstemperaturen, wurden die Beschichtungen anfällig für Ablagerungen geschmolzener Partikel aus dem Luftstrom, wie Vulkanasche, Sand oder Staub. Insbesondere die Schädigung von TBCs durch geschmolzene Vulkanasche stellt eine ernsthafte Bedrohung für die Haltbarkeit von YSZ-TBCs dar. Aufgrund der oberflächlichen Benetzung mit einer silikatischen Schmelze und deren anschließenden Infiltration und Verfestigung kommt es zu einer erhöhten thermo-mechanischen Belastung innerhalb der Beschichtung. Dies hat auf Grund der thermischen Wechselbelastung während des Betriebes des Triebwerks eine Verfestigung der Vulkanasche zur Folge, die zum finalen Versagen der Beschichtung führen kann. Um ein tieferes Verständnis über die initiale Verfestigung der Vulkanasche zu erlangen, wurden im Rahmen dieser Dissertation die mechanischen Eigenschaften von verfestigtem Vulkanglas innerhalb der infiltrierten TBCs experimentell bestimmt. Dabei wurden erstmalig Wärmeschockexperimente (von 1300 °C bis auf Raumtemperatur) an Silikatschmelze benetzten TBCs durchgeführt, gefolgt von einer Charakterisierung der dadurch entstandenen thermomechanischen Schädigung. Um den Einfluß unterschiedlicher chemischer Zusammensetzungen zu untersuchen, kamen 3 verschiedene Vulkanaschen zum Einsatz: Kilauea, Hawaii, USA (basaltisch); Eyjafjallajökull, Island (trachy-andesitisch); Cordon Caulle, Chile (rhyolitisch). Es wurden die mechanischen Eigenschaften der Vulkanaschegläser und der Eyjafjallajökull-Vulkanasche bestimmt, da sie im Vergleich zu Kilauea- und Cordon Caulle-Vulkanasche ein höheres Elastizitätsmodul besaß. Als Ursache für die Ausbildung von Mikrorissen wurden eine niedrige Bruchfestigkeit sowie ein hohes Elastizitätsmodul innerhalb des infiltrierten Bereichs identifiziert. EB-PVD-TBCs sind durch eine säulenförmige Struktur gekennzeichnet, wohingegen APS-TBCs einen lamellaren Schichtaufbau besitzen. Bei Turbinenschaufeln von Strahltriebwerken werden EB-PVD-Beschichtungen bevorzugt gegenüber APS-TBCs verwendet, da sie eine höhere Flächendehnungstoleranz aufweisen. Allerdings sind sie im Vergleich zur lamellaren APS-Struktur anfälliger gegenüber einer Infiltrierung geschmolzener Vulkanasche. In dieser Arbeit wurde experimentell die Ablagerung von Vulkanasche auf EB-PVD TBCs untersucht. Zu diesem Zweck wurde Eyjafjallajökull-Asche mittels thermischen Sprühens auf EB-PVD-TBCs aufgebracht. Die morphologische Entwicklung der schmelzenden Vulkanasche-Mikrokügelchen während der Infiltration in die säulenförmige TBC-Struktur wurde mit Hilfe von in-situ-Hochtemperatur-Dilatometrie Messungen charakterisiert. Die Ergebnisse zeigen die Ablagerungsdynamik der Vulkanaschepartikel auf TBCs und erlauben somit Rückschlüsse auf mögliche Auswirkungen hinsichtlich einer Wechselwirkung von Vulkanasche mit beschichteten Turbinenschaufeln. Schließlich wurde im Rahmen dieser Dissertation das Minderungspotenzial neuartiger TBCs mit Zusätzen aus hexagonalem Bornitrid (h-BN) gegenüber Ablagerung von geschmolzener Vulkanasche untersucht. Die Experimente zeigen, dass reine h-BN-Substrate unter Vakuumbedingungen bei 1250 °C keine Benetzungseigenschaften aufweisen. Die Schlußfolgerungen aus diesen Studien waren nützlich für den anschließenden Vergleich von konventionellen YSZ-TBCs mit h-BN dotierten YSZ-TBC unter atmosphärischen Bedingungen. Dabei konnte gezeigt werden, dass h-BN dotierte YSZ-TBCs auf Grund einer verminderten Infiltration und einer verbesserten Benetzungsbeständigkeit widerstandsfähiger gegenüber geschmolzener Vulkanasche ist als konventionelle YSZ-TBCs. Diese Arbeiten zeigen, dass h-BN dotierte YSZ-TBCs und weitere noch zu untersuchende Materialkombinationen für eine Verbesserung der Widerstandsfähigkeit von TBCs gegenüber geschmolzener, atmosphärischer Partikel dienen können.