Nano-Impact-Test – Der schnelle Weg zur Untersuchung des Erosionsverhaltens von Wärmedämmschichten
Der Nano-Impact-Test ist für diese Anwendung der herkömmlichen Nanoindentation überlegen, weil höhere dynamische Dehnraten möglich sind. Ein weiterer Vorteil des Tests gegenüber herkömmlichen Bulk-Tests ist die mögliche Untersuchung individueller Säulen und Säulencluster der kolumnaren Struktur.
Durch Single-Impact-Versuche konnte gezeigt werden, dass die Wärmealterung in erhöhter dynamischer Härte und Steifigkeit der Wärmedämmschichten resultiert. Repetitive Nano-Impact-Tests weisen einen deutlichen Unterschied in der Schlagfestigkeit zwischen wärmebehandelten und unbehandelten Wärmedämmschichten auf (Abb. 2).
Abb. 1: REM-Aufnahme der kolumnaren Struktur einer Wärmedämmschicht
Abb. 2: Vergleich der drei untersuchten Wärmedämmschichten in einem repetitiven Nano-Impact Test bei einer Schlagfrequenz von 0,25 Hz. Deutlich zu erkennen ist der drastische Anstieg der Eindringtiefe auf den wärmebehandelten Schichten innerhalb nur weniger Sekunden.
| Wärmedämmschicht | Härte [GPa] | Reduzierter E-Modul [GPa] |
|---|---|---|
| „as-received“ | 8,5 | 153 |
| 24 h bei 1500 °C, abgeschieden auf ZrO2 | 15,1 | 157 |
| 100 h bei 1100 °C, abgeschieden auf Al2 O3 | 16,9 | 190 |
Sie zeigen also eine ausgezeichnete Korrelation mit herkömmlichen Erosionstests. Es wird vermutet, dass aufgrund der Wärmealterung die kolumnare Mikrostruktur der Wärmedämmschicht sintert.
Dies hat zur Folge, dass Risse, die sich nach einem Einschlag bilden, einfacher über die Grenzübergänge der Säulenstruktur propagieren und so einzelne Einschläge volumenanteilig mehr Material pro Einschlag entfernen.
Mechanische Eigenschaften der untersuchten Wärmedämmschichten
Das Nanoindentationsverfahren zeigte sich in diesem Falle zum Einschätzen des Erosionsverhaltens der Wärmedämmschichten als nicht ausreichend.
Der Nano-Impact-Test hingegen zeigte eine deutliche Korrelation mit zuvor durchgeführten Erosionstests und ist somit eine vielversprechende und schnelle Alternative für die Vorhersage des Erosionsverhaltens.
