Hochtemperatur- und Funktionsschichten



 

Hochtemperatur-Schutzschichten

Turbinenschaufeln keramischen EB-PVD Wärmedämmschicht

Schutzschichten werden eingesetzt, um das Einwirken schädigender Umgebungsmedien auf Werkstoffe, Bauteile und Strukturen zu verhindern. Im Institut werden sowohl metallische als auch keramische Schutzschichten für monolithisch metallische und keramische bzw. metallische und keramische Verbundwerkstoffe entwickelt.

Wärmedämmschichten

Durch den Einsatz von nur 0,2mm dicken keramischen Wärmedämmschichten geringer Wärmeleitfähigkeit lässt sich bei Turbinenschaufeln die Oberflächentemperatur um etwa 100 bis 150°C absenken. Bei modernen Flugtriebwerken führt dies zu einer Reduktion des spezifischen Treibstoffverbrauchs von 2 bis 3% sowie zu einem entsprechend verminderten Schadstoffausstoß.
Die beim DLR eingesetzte Herstellungsmethode  Elektronenstrahlverdampfung (EB-PVD) erzeugt äußerst glatte und schadenstolerante Wärmedämmschichten. Sie sind für hochbelastete Flugturbinenschaufeln besonders geeignet, da die kolumnare Schichtstruktur für ausgezeichnete Toleranz gegen extrem schnelle Temperaturänderungen und thermomechanische Spannungen sorgt. Darüber hinaus bleibt die Schaufelkühlung durch Offenhalten der Kühlluftbohrungen gewährleistet. Das DLR zählt weltweit zu den führenden Forschungseinrichtungen auf dem Gebiet aufgedampfter Wärmedämmschichten und entwickelt gemeinsam mit Anlagenbauern, Schicht- und Triebwerksherstellern, Anwendern und Kooperationspartnern aus der Forschung neuartige komplexe Schichtsysteme für höchstbelastete Turbinenschaufeln.

Oxidationsschutzschichten

Hochtemperaturlegierungen werden hauptsächlich im Hinblick auf gute mechanische Eigenschaften für Werkstoff-Forschung optimiert. In sauerstoffhaltiger oder korrosiver Atmosphäre sind sie jedoch unzureichend geschützt. Im Institut werden sowohl Oxidationsschutzschichten für Nickellegierungen (zumeist als Haftvermittler für Wärmedämmschichten, siehe dort) als auch für Titanwerkstoffe entwickelt. Der Hochtemperatureinsatz von Titanlegierungen und Titanaluminiden wird u.a. durch die geringe Beständigkeit in oxidierender Atmosphäre begrenzt. Daher ist ein wirkungsvoller Schutz vor Oxidations- und Korrosionsvorgängen notwendig, um den sicheren Betrieb der Bauteile unter verschiedenen Umgebungsbedingungen zu gewährleisten. Schwerpunkt der Arbeiten sind Magnetron-Sputterschichten für Einsatztemperaturen bis 900°C.

Environmental Barrier Coatings

Keramische Faserverbundwerkstoffe wie z.B. WHIPOX zeigen oft eine ausgeprägte Porosität bzw. Permeabilität. Dazu kommt meist eine durch den Herstellungsprozess bedingte irreguläre, d.h. konturierte Oberfläche. Für den langzeitigen Einsatz als Brennkammerschindeln müssen diese gegen die extremen Bedingungen der Temperatur, Heißgaserosion und chemische Reaktion (speziell durch Wasserdampf) geschützt werden. Dazu werden die keramischen Faserverbundwerkstoffe mit umgebungsstabilen (Thermal-)Schutzschichten versehen, den sog. ETBCs (environmental and thermal barrier coatings).

Multifunktionale Schichten

Gassensoren:

Die Entwicklung von Funktionsschichten zielt auf die Herstellung von bauteilintegrierten und leistungsstarken Hochtemperatur-Gassensoren für das Monitoring der Emissionsminderung von Turbinen sowie der Kontrolle der Verbrennungsanlagen, Abgassysteme und Atmosphären nach Naturereignissen. Dabei basieren die Entwicklungsziele auf neuartige und nanostrukturierte, dünne, keramischen Schichten, die über Impedanz und Widerstandmessprinzip NOx, SOx, CO, H2 bei Temperaturen über 500°C detektieren können. Der Sensoraufbau wird an den Umgebungsbedingungen in Turbinen und Verbrennungsanlagen (Temperatur, Druck, Strömungsgeschwindigkeit, usw.) angepasst. Die Herstellung dieser Werkstoffsysteme erfolgt mit Magnetron-Sputtern, Sol- Gel Verfahren und Elektrostrahlverdampfung.

Superkondensatoren:

Viele technische und industrielle Anwendungen benötigen unterbrechungsfreie Energieversorgung. Sekunden dauernde Stromausfälle bedeuten insbesondere für die Industrie wichtige Produktionsverluste. Ebenfalls ist die Effizienz erneuerbarer Energiequellen dadurch beschränkt, dass der produzierte Strom nur unzulänglich gespeichert werden kann. Außerordentlich hoch bleibt der Wirkungsgrad, wenn die erzeugte elektrische Energie auch elektrisch gespeichert wird, ohne physikalische/chemische Umwandlungsverluste. Diese Verluste zu vermeiden braucht man Leistungsfähige, kleine und leichte Energiespeicher-Systeme. Die elektrochemischen Kondensatoren sind Leistungskomponenten, die typischerweise mit einer Energiekomponente, wie Batterie oder Brennstoffzelle eingesetzt werden. In einem Hybridsystem deckt der Superkondensator Leistungsspitzen ab. Mit einer Batterie führt dies dazu, dass die Lebensdauer der Batterie deutlich steigt oder die Batterie verkleinert werden kann.

Die Entwicklungen in der Abteilung HFS konzentriert sich auf die Synthese von nanostrukturierten Elektrodenmaterialien für Superkondensatoren, die leicht, ultra-klein und leistungsfähig sind. Nano-basierte Materialien/Elektroden ermöglichen hohe Oberflächen (damit hohe Energiedichte) und Ordnungsgrad des Elektrodenmaterials (dadurch schnelle Energieübertragung im Gerät). Insbesondere sind die Entwicklung der negativen Elektrode auf Basis von Nanokohlenstofffasern, Nanodiamanten oder Graphen sowie die Entwicklung der positiven Elektrode durch Nanostrukturierung von Metalloxiden und ultradünnschichtiger Füllung der Poren notwendig.  Anwendungsfelder für Nano-strukturierte Energie-Speicher Systeme erweitern sich schnell, deshalb ist eine parallel wachsende technologische Entwicklung  notwendig.

Die typischen zukunftsträchtigen Anwendungsfelder sind:

  • kabellose Bedienung von Dataspeicherung und Sensorsystemen ausgerüstet mit z.B. Thermoelektrischen Generatoren,
  • Flugzeug Bordelektrizität bzw. Hubschrauber-Ortungsradio: von vibrierenden Teilen gewonnene Energie wird als Back-up Energie der Ortungsgeräte zur Verfügung gestellt
  • Elektromobilität: Bremsenergie geladene Supercaps verfügen schnelle Energie für Start-up und Beschleunigung des Fahrzeuges

 


Kontakt
Dr.-Ing. Uwe Schulz
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Institut für Werkstoff-Forschung
, Hochtemperatur- und Funktionsschichten
Tel: +49 2203 601-2543

Fax: +49 2203 696480

E-Mail: Uwe.Schulz@dlr.de
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Oxidationsschutzschichten (http://www.dlr.de/wf/desktopdefault.aspx/tabid-2131/2303_read-4862/usetemplate-print/)
Emissions-reduzierende und Brennstoff-reformierenden Katalysatoren mit integrierten Sensorschichten (http://www.dlr.de/wf/desktopdefault.aspx/tabid-2131/2303_read-5272/usetemplate-print/)