TY - THES

T1 - Kriechverhalten verschiedener Siliziumnitrid-Keramiken

AU - Prackwieser, Ruth

N1 - nicht gesperrt

PY - 2019

Y1 - 2019

N2 - Stationäre Gasturbinen werden bereits seit einigen Jahrzehnten zur Energieversorgung verwendet. Um die Umwelt zu schonen und Ressourcen effizienter zu nutzen, wird versucht den Wirkungsgrad solcher Gasturbinen durch eine höhere Arbeitstemperatur und eine verringerte Kühlleistung zu verbessern. Eingesetzte Werkstoffe müssen diese neuen Bedingungen aushalten. Dabei wird eine hohe thermische und mechanische Belastbarkeit, geringes spezifisches Gewicht, hohe Zähigkeit als auch hohe chemische Beständigkeit vom Material gefordert. Für diese Anwendung stellt Siliziumnitrid ein vielversprechendes Material dar. In dieser Arbeit wurde das Kriechverhalten fünf verschiedener Si3N4-Keramiken untersucht. Zwei der Materialien sind nicht für Hochtemperaturanwendungen vorgesehen und dienten als Vergleichsmaterialien und zur Optimierung der Versuchsdurchführung. Die anderen drei Materialien wurden speziell für die Anwendung in stationären Gasturbinen entwickelt. Dementsprechend ist zu erwarten, dass die Kriechbeständigkeit dieser Materialien eindeutig jene der Vergleichsmaterialien übertrifft. Zur Untersuchung des Kriechverhaltens wurden 4-Punkt-Biege-Kriechversuche an Biegeproben (45 x 4 x 3 mm) der verschiedenen Materialien durchgeführt. Wie erwartet war die Performance der Vergleichsmaterialien um einiges schlechter als jene der Hochtemperatur-Keramiken. Die Hochtemperatur-Keramiken zeigen einen annähernd linearen Zusammenhang zwischen angelegter Spannung und Kriechrate. Die ermittelten Kriechraten unterscheiden sich bei diesen Materialien nur geringfügig. Die Aktivierungsenergien dieser Materialien liegen ca. bei 220 – 240 kJ/mol. Des Weiteren erfolgte eine Untersuchung der Oberfläche und der entstandenen Kriechschädigung nach den Kriechversuchen. Auf der Oberfläche kann Oxidation sowie Bildung von Ausscheidungen beobachtet werden. Im Materialinneren waren Kriechschädigungen wie Poren und Hohlräume vorhanden. Durch fraktographische Untersuchungen konnten bruchauslösende Defekte in den verschiedenen Materialien identifiziert werden. Auf einzelnen Bruchflächen wurden Bereiche gefunden in denen langsames Risswachstum aufgetreten ist.

AB - Stationäre Gasturbinen werden bereits seit einigen Jahrzehnten zur Energieversorgung verwendet. Um die Umwelt zu schonen und Ressourcen effizienter zu nutzen, wird versucht den Wirkungsgrad solcher Gasturbinen durch eine höhere Arbeitstemperatur und eine verringerte Kühlleistung zu verbessern. Eingesetzte Werkstoffe müssen diese neuen Bedingungen aushalten. Dabei wird eine hohe thermische und mechanische Belastbarkeit, geringes spezifisches Gewicht, hohe Zähigkeit als auch hohe chemische Beständigkeit vom Material gefordert. Für diese Anwendung stellt Siliziumnitrid ein vielversprechendes Material dar. In dieser Arbeit wurde das Kriechverhalten fünf verschiedener Si3N4-Keramiken untersucht. Zwei der Materialien sind nicht für Hochtemperaturanwendungen vorgesehen und dienten als Vergleichsmaterialien und zur Optimierung der Versuchsdurchführung. Die anderen drei Materialien wurden speziell für die Anwendung in stationären Gasturbinen entwickelt. Dementsprechend ist zu erwarten, dass die Kriechbeständigkeit dieser Materialien eindeutig jene der Vergleichsmaterialien übertrifft. Zur Untersuchung des Kriechverhaltens wurden 4-Punkt-Biege-Kriechversuche an Biegeproben (45 x 4 x 3 mm) der verschiedenen Materialien durchgeführt. Wie erwartet war die Performance der Vergleichsmaterialien um einiges schlechter als jene der Hochtemperatur-Keramiken. Die Hochtemperatur-Keramiken zeigen einen annähernd linearen Zusammenhang zwischen angelegter Spannung und Kriechrate. Die ermittelten Kriechraten unterscheiden sich bei diesen Materialien nur geringfügig. Die Aktivierungsenergien dieser Materialien liegen ca. bei 220 – 240 kJ/mol. Des Weiteren erfolgte eine Untersuchung der Oberfläche und der entstandenen Kriechschädigung nach den Kriechversuchen. Auf der Oberfläche kann Oxidation sowie Bildung von Ausscheidungen beobachtet werden. Im Materialinneren waren Kriechschädigungen wie Poren und Hohlräume vorhanden. Durch fraktographische Untersuchungen konnten bruchauslösende Defekte in den verschiedenen Materialien identifiziert werden. Auf einzelnen Bruchflächen wurden Bereiche gefunden in denen langsames Risswachstum aufgetreten ist.

KW - creep

KW - silicon nitride

KW - high-temperatur behaviour

KW - Kriechen

KW - Siliziumnitrid

KW - Hochtemperaturverhalten

M3 - Masterarbeit

ER -