Influence of composition and processing on the oxidation behavior of MCrAlY-coatings for TBC applications [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Juan Pablo Toscano Alvarez
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Influence of composition and processing on the oxidation behavior of MCrAlY-coatings for TBC applications [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Juan Pablo Toscano Alvarez

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Influence of Composition and Processing on the Oxidation Behavior of MCrAlY-coatings for TBC Applications Von der Fakultät für Maschinenwesen der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften, genehmigte Dissertation vorgelegt von JUAN PABLO TOSCANO ALVAREZ aus Valencia, Venezuela Berichter: Univ.-Prof. L. Singheiser Univ.-Prof. T. Beck Tag der mündlichen Prüfung: 4. Juni 2008 Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfügbar. Summary The adherence of the thermally grown oxide (TGO) to the bond coat is recognized to be crucial for the lifetime of thermal barrier coatings (TBC) in aircraft engine and gas turbine blades. The stability of the system has to be guaranteed over extended service times (around 25000h) at high operation temperatures. With this aim, it is necessary that the TGO is slow-growing and adherent. This work studies the influence of different parameters in the oxidation behavior and scale adherence on MCrAlY-bond coats. For this purpose, three MCrAlY-coatings were selected and subjected to oxidation tests at high temperature in the form of TBC systems, overlay coatings and free-standing coatings. The first part of the work treats the influence of the chemical composition on the oxidation behavior of the bond coat.

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Publié le 01 janvier 2008
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Langue English
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Influence of Composition and Processing on the Oxidation
Behavior of MCrAlY-coatings for TBC Applications






Von der Fakultät für Maschinenwesen der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule
Aachen zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften,
genehmigte Dissertation





vorgelegt von
JUAN PABLO TOSCANO ALVAREZ
aus Valencia, Venezuela




Berichter: Univ.-Prof. L. Singheiser
Univ.-Prof. T. Beck

Tag der mündlichen Prüfung: 4. Juni 2008


Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfügbar. Summary

The adherence of the thermally grown oxide (TGO) to the bond coat is recognized to
be crucial for the lifetime of thermal barrier coatings (TBC) in aircraft engine and gas turbine
blades. The stability of the system has to be guaranteed over extended service times (around
25000h) at high operation temperatures. With this aim, it is necessary that the TGO is slow-
growing and adherent.

This work studies the influence of different parameters in the oxidation behavior and
scale adherence on MCrAlY-bond coats. For this purpose, three MCrAlY-coatings were
selected and subjected to oxidation tests at high temperature in the form of TBC systems,
overlay coatings and free-standing coatings. The first part of the work treats the influence of
the chemical composition on the oxidation behavior of the bond coat. The second part
investigates the influence of non material-dependent parameters: starting with geometrical
parameters (surface roughness and coating thickness) and followed by pre-
treatment/processing parameters (surface processing sequence, heat treatment parameters and
amount of O-impurities). Finally, the work deals with the possibility of defining a critical
TGO thickness to failure in EB-PVD TBC systems.

The results demonstrate that not only the chemical composition of a MCrAlY-coating
but also those geometrical and processing parameters selected can have an influence on its
oxidation behavior and scale adherence. The studied Co-base coating exhibited better
resistance to scale spallation despite faster oxidation kinetics, apparently favored by phase
stability over a wide temperature range. Furthermore, it is shown that for a specific material,
the oxidation behavior can be considerably influenced by the geometrical and processing
parameters mentioned above. In general this influence was achieved due to a variation of the
yttrium reservoir, mobility and/or distribution, which in turn determined to which extent this
element can act at the surface during oxidation. Only by varying the oxygen partial pressure
of the atmosphere could be obtained scales with different oxidation kinetics but identical in
morphology and composition. After assessment of these scales it seemed to be that a critical
TGO thickness to failure in EB-PVD TBC systems exists.


i Zusammenfassung

Es ist bekannt, dass die Haftung des thermisch gewachsenen Oxids (TGO) zur
Haftvermittlerschicht (Bond Coat) von entscheidender Bedeutung für die Lebensdauer von
Wärmedämmschichten (TBC) in Schaufeln von Flugzeugtriebwerken und Gasturbinen ist.
Die Stabilität dieses Schichtverbunds muss über lange Zeiträume (ca. 25000h) bei hohen
Temperaturen gewährleistet sein. Daher ist es notwendig, dass das TGO ein langsames
Wachstum und eine gute Haftung aufweist.

Diese Arbeit untersucht den Einfluss verschiedener Parameter auf das
Oxidationsverhalten und die Haftung des TGO auf MCrAlY Bond Coats. Zu diesem Zweck
wurden drei verschiedene MCrAlY Beschichtungen ausgewählt und bei hohen Temperaturen
ausgelagert. Dabei wurden TBC Schichtsysteme, freistehende Schichten sowie MCrAlYs auf
IN738 (overlays) untersucht. Im ersten Teil der Arbeit wird der Einfluss der chemischen
Zusammensetzung des Bond Coats auf das Oxidationsverhalten untersucht. Im weiteren
Verlauf wird der Einfluss von nicht materialabhängigen Parametern bestimmt. Dazu gehören
geometrische Parameter (Oberflächenrauhigkeit und Schichtdicke) sowie
Vorbehandlungsparameter (Sequenz der Vorbehandlungsschritte, Wärmebehandlungs-
parameter und Gehalt von O-Verunreinigungen). Im letzten Teil wurde versucht die kritische
TGO Dicke zu bestimmen, bei der es zum Versagen des Schichtverbundes kommt.

Die Ergebnisse zeigen, dass nicht nur die Zusammensetzung der MCrAlY
Beschichtungen, sondern auch die besprochenen geometrischen und Prozessparameter einen
Einfluss auf das Oxidationsverhalten und die Schichthaftung haben. Im Vergleich zu Ni-Basis
Bond Coats zeigt die untersuchte Co-Basis MCrAlY eine bessere Haftung trotz höherer
Oxidwachstumsrate. Es wird vermutet dass, dies mit der Stabilität der Mikrostruktur
zusammenhängt. Die gewählten Geometrischen- und Vorbehandlungsparameter können einen
Einfluss auf die Verteilung, Mobilität und Reservoir von Y haben. Dies wiederum bestimmt
den Einfluss dieses Element auf das Oxidationsverhalten.

Die Variation des Sauerstoffpartialdrucks in der Auslagerungsatmosphäre führte zu
Oxidschichten, die sich nur in der Dicke, nicht aber in der Morphologie oder
Zusammensetzung unterschieden. Diese zeigten einen Zusammenhang zwischen
Oxidschichtdicke und Versagen von EB-PVD TBC Systeme.
ii Index

1 Introduction 1
1.1 Energy demand and contribution of natural gas to the energy mix 1
1.2 Power generation with natural gas 2
1.3 Gas Turbines 3
2 TBC Systems 5
2.1 Turbine blade superalloy (substrate) 6
2.2 Bond Coat 7
2.3 Thermal barrier coating (TBC) 14
3 Oxidation of MCrAlY-coatings 17
3.1 Oxidation Reaction 17
3.2 Formation of the thermally grown oxide (TGO) in TBC systems 20
3.3 Failure mechanisms of coating systems 24
4 Purpose of this investigation 28
5 Experimental Procedure 30

RESULTS AND DISCUSSION 35
6 Effect of the Bond Coat chemical composition on the oxide growth and
adherence 35
6.1 Oxidation studies on TBC systems with MCrAlY-coatings 35
6.1.1 Lifetime of TBC systems 35
6.1.2 TGO stress measurements in TBC systems 36
6.1.3 TGO growth and morphology in TBC systems 37
6.2 Oxidation studies on overlay MCrAlY coatings 39
6.2.1 TGO growth and morphology in overlay coatings with as- spayed surfaces 39
6.2.2 Exposure of overlay coatings with ground surfaces 40
6.3 Oxidation studies on free-standing MCrAlY-coatings 44
6.3.1 TGO growth and morphology after discontinuous exposure 44
6.3.2 Characterization of Y/Al-oxide compounds 45
6.3.3 Oxidation kinetics of free-standing MCrAlY-coatings during isothermal
exposure 49
6.3.4 Oxidation kinetics and scale adherence on MCrAlY-coatings during cyclic
exposure 57
iii 6.4 Summary and final comments 59
7 Temperature dependence of phase relationships in different MCrAlY-coatings 61
7.1 General remarks 61
7.2 Modeling of phase equilibria in commercial MCrAlY-coatings 62
7.2.1 Modelling of phase equilibria in NiCoCrAlY(hi-Al) 62
7.2.2 Modelling of phase equilibria in NiCoCrAlY(lo-Al) 63
7.2.3 Modelling of phase equilibria in CoNiCrAlY 63
7.3 Microstructure of annealed MCrAlYs in the temperature range 800-1100°C 64
7.3.1 Microstructure at 1100°C 64
7.3.2 Microstructure at 1000°C 66
7.3.3 Microstructure at 900°C 67
7.3.4 Microstructure at 800°C 68
7.4 Physical CTE measurements on free-standing MCrAlYs 70
7.5 Accuracy of thermodynamic calculations 71
7.5.1 Accuracy of phase composition calculations 71
7.5.2 Accuracy of volume fraction calculations 72
7.6 Correlation of experimental findings with observations in a gas turbine blade after
service 74
7.7 Summary 78
8 Geometrical effects on the oxide growth and morphology in MCrAlY-coatings 80
8.1 General Remarks 80
8.2 Effect of coating roughness 81
8.2.1 TGO growth and morphology on rough surfaces 81
8.2.2 Temperature dependence of the effect of roughness 86
8.2.3 Characterization of Y-rich compounds 86
8.2.4 Mechanistic explanation of the effect of roughness 88
8.2.5 Limitations of the effect of roughness 89
8.3 Effect of coating thickness 92
8.3.1 General remarks 92
8.3.2 Effect of coating thickness during discontinuous oxidation 92
8.3.3 Effect of coating thickness during cyclic oxidation 96
8.3.4 Discussion on the effect of Y-reservoir on the TGO growth rate and
adherence 101
8.4 Summary on the geometrical effects 102
iv 9 Effect of pre-treatment and processing on the oxidation behavior of
MCrAlY-coatings 104
9.1 General remarks 104
9.2 Effect of surface processing sequence (Heat treated vs. heat treated

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