Influence of a PVD-Al interlayer on the properties of thermally sprayed thermal barrier coating system after thermal cycling

• Published in: Materialwissenschaft und Werkstofftechnik Vol. 45; no. 6; pp. 445 - 455
• Main Authors: El-Araby Ali, I, Lampke, T, Wett, D, Grund, T, Nestler, D, Wielage, B
• Format: Journal Article
• Language: English
• Published: 01.06.2014
• Subjects: Aluminum; Bonding; Ceramic bonding; Ceramic coatings; Ceramics; Coating; Thermal barrier coatings; Yttria stabilized zirconia
• ISSN: 0933-5137; 1521-4052
• DOI: 10.1002/mawe.201400263

Thermal barrier coatings (TBC) generally consist of a metallic bond coat (BC) and a ceramic top coat (TC). Co-Ni-Cr-Al-Y metallic super alloys and Yttria stabilised zirconia (YSZ) have been widely used as bond coat and top coat for thermal barrier coatings systems, respectively. As a result of long-term exposure of thermal barrier coatings systems to oxygen-containing atmospheres at high temperatures, a diffusion of oxygen through the porous ceramic layer occurs and consequently an oxidation zone is formed in the interface between ceramic top coat and metallic bond coat. Alloying components of the BC layer create a so-called thermally grown oxides layer (TGO). One included oxide type is alpha -Al sub(2)O sub(3). alpha -Al sub(2)O sub(3) lowers oxygen diffusion and thus slows down the oxidation process of the bond coat and consequently affects the service life of the coating system positively. The distribution of the alloying elements in the bond coat layer, however, generally causes the formation of mixed oxide phases. The different oxide phases have different growth rates, which cause local stresses, micro-cracking and, finally, delamination and failure of the ceramic top coat layer. In the present study, a thin Al inter-layer was deposited by DC-Magnetron Sputtering on top of the Co-Ni-Cr-Al-Y metallic bond coat, followed by thermal spraying of yttria-stabilised zirconia (YSZ) as a top coat layer. The deposited Al inter-layer is meant to transform under operating conditions into a closed layer with high share of alpha -Al sub(2)O sub(3) that slows down the growth rate of the resulting thermally grown oxides layer. Surface morphology and microstructure characteristics as well as thermal cycling behaviour were investigated to study the effect of the intermediate Al layer on the oxidation of the bond coat compared to standard system. The system with Al inter-layer shows a smaller thermally grown oxides layer thickness compared to standard system after thermal cycling under same conditions.Original Abstract: Waermedaemmschichtsysteme (WDS) bestehen in der Regel aus einer metallischen Haftschicht und einer keramischen Deckschicht. CoNiCrAlY-Superlegierungen finden als Haftschichtmaterial weit verbreiteten Einsatz, fuer die Deckschichten wird oft Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkondioxid verwendet. In der Folge der Langzeiteinwirkung von sauerstoffhaltigen Atmosphaeren bei hohen Temperaturen auf die Waermedaemmschichtsysteme kommt es zur Diffusion von Sauerstoff durch die porose Keramikschicht und zu Oxidationsprozessen an der inneren Grenzflaeche zur Haftschicht. Legierungskomponenten der Haftschicht bilden die so genannte thermisch gewachsene Oxidschicht. Das dabei auch entstehende [alpha]-Al sub(2)O sub(3) behindert die Sauerstoff-Diffusion und verlangsamt so den Oxidationsprozess, was sich positiv auf die Einsatzdauer des Schichtsystems auswirkt. Die Verteilung der Legierungselemente in der Haftschicht bewirkt jedoch in der Regel die Bildung von gemischten Oxidphasen, wobei die Oxide unterschiedliche Wachstumsgeschwindigkeiten aufweisen, was zu lokalen Spannungen, Mikrorissen und Abplatzungen fuehrt. Dies beschraenkt in hohem Mase die Lebensdauer von Waermedaemmschichtsystemen. In der vorliegenden Arbeit wird der Einfluss einer duennen dampfabgeschiedenen Aluminium-Zwischenschicht auf die Eigenschaften eines thermisch gespritzten Waermedaemmschichtsystems untersucht. Die etwa 1 mu m dicke Zwischenschicht wurde in einem zusaetzlichen Prozessschritt zwischen Haft- und Deckschicht appliziert. Unter einsatznahen Auslagerungen in Atmosphaerenofen wurde erreicht, dass sich homogene [alpha]-Al sub(2)O sub(3)-reiche Oxidschichten bilden, die das Potenzial fuer ein verlangsamtes bzw. kontrolliertes Wachstum der thermischen Oxidschicht besitzen. Erste Untersuchungsergebnisse zu Oberflaechenbeschaffenheit, Mikrostruktur, chemischer Zusammensetzung und Spannungszustand vor und nach Temperaturwechselbelastungen werden fuer die so modifizierten Waermedaemmschichtsysteme im Vergleich zu Standardsystemen dargestellt.