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Synchrotron X-Ray Diffraction Measurements Mapping Internal Strains of Thermal Barrier Coatings During Thermal Gradient Mechanical Fatigue Loading

Knipe, Kevin und Manero, Albert und Sofronsky, Stephen und Okasinski, John und Almer, Jonathan und Wischek, Janine und Meid, Carla und Karlsson, Anette M. und Bartsch, Marion und Raghavan, Seetha (2015) Synchrotron X-Ray Diffraction Measurements Mapping Internal Strains of Thermal Barrier Coatings During Thermal Gradient Mechanical Fatigue Loading. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 137 (8), e082506. American Society of Mechanical Engineers (ASME). doi: 10.1115/1.4029480. ISSN 0742-4795.

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Kurzfassung

An understanding of the high temperature mechanics experienced in thermal barrier coatings (TBC) during cycling conditions would be highly beneficial to extending the lifespan of the coatings. This study will present results obtained using synchrotron X-rays to measure depth resolved strains in the various layers of TBCs under thermal mechanical loading and a superposed thermal gradient. Tubular specimens, coated with yttria stabilized zirconia (YSZ) and an aluminum containing nickel alloy as a bond coat both through electron beam-physical vapor deposition (EB-PVD), were subjected to external heating and controlled internal cooling generating a thermal gradient across the specimen's wall. Temperatures at the external surface were in excess of 1000 degrees C. Throughout high temperature testing, 2D high-resolution XRD strain measurements are taken at various locations through the entire depth of the coating layers. Across the YSZ, a strain gradient was observed showing higher compressive strain at the interface to the bond coat than toward the surface. This behavior can be attributed to the specific microstructure of the EB-PVD-coating, which reveals higher porosity at the outer surface than at the interface to the bond coat, resulting in a lower in plane modulus near the surface. This location at the interface displays the most significant variation due to applied load at room temperature with this effect diminishing at elevated uniform temperatures. During thermal cycling with a thermal gradient and mechanical loading, the bond coat strain moves from a highly tensile state at room temperature to an initially compressive state at high temperature before relaxing to zero during the high temperature hold. The results of these experiments give insight into previously unseen material behavior at high temperature, which can be used to develop an increased understanding of various failure modes and their causes.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/98272/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Synchrotron X-Ray Diffraction Measurements Mapping Internal Strains of Thermal Barrier Coatings During Thermal Gradient Mechanical Fatigue Loading
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Knipe, KevinUniversity of Central Florida, Orlando, FL, USANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Manero, AlbertUniversity of Central Florida, Orlando, FL, USANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Sofronsky, StephenUniversity of Central Florida, Orlando, FL, USANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Okasinski, JohnAdvanced Photon Source, Argonne National Laboratory, Argonne, IllinoisNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Almer, JonathanAdvanced Photon Source, Argonne National Laboratory, Argonne, IllinoisNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Wischek, Janinejanine.wischek (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Meid, Carlacarla.meid (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Karlsson, Anette M.Cleveland State University, Ohio, USANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Bartsch, Marionmarion.bartsch (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Raghavan, SeethaUniversity of Central Florida, Orlando, FL, USANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:August 2015
Erschienen in:Journal of Engineering for Gas Turbines and Power
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Nein
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:137
DOI:10.1115/1.4029480
Seitenbereich:e082506
Verlag:American Society of Mechanical Engineers (ASME)
ISSN:0742-4795
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Synchrotron X-ray diffraction, Thermal Barrier Coatings, local strain, thermal gradient
HGF - Forschungsbereich:Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr
HGF - Programm:Luftfahrt
HGF - Programmthema:Antriebssysteme
DLR - Schwerpunkt:Luftfahrt
DLR - Forschungsgebiet:L ER - Engine Research
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):L - Virtuelles Triebwerk und Validierungsmethoden (alt)
Standort: Köln-Porz
Institute & Einrichtungen:Institut für Werkstoff-Forschung > Experimentelle und numerische Methoden
Hinterlegt von: Bartsch, Dr.-Ing. Marion
Hinterlegt am:23 Sep 2015 13:46
Letzte Änderung:08 Mär 2018 18:42

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