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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).

REM-Aufnahme der ko­lum­n­­a­ren Struktur einer Wärmedämmschicht
Abb. 1: REM-Aufnahme der ko­lum­n­­a­ren Struktur einer Wärmedämmschicht
Wärmedämmschichten in einem repetitiven Nano-Impact
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.
WärmedämmschichtHärte [GPa]Reduzierter E-Modul [GPa]
„as-received“8,5153
24 h bei 1500 °C,
abgeschieden auf ZrO2
15,1157
100 h bei 1100 °C,
abgeschieden auf Al2 O3
16,9190

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.

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