Hochtemperatur- und Funktionsschichten



 

Hochtemperatur-Schutzschichten
 

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 Emissions- reduzierende Schichten

Moderne Verbrennungsmaschinen arbeiten mit einem mageren Luft/Brennstoff-Verhältnis und hohen Verbrennungstemperaturen, was zwangsläufig zu erhöhtem Stickoxid (NOx)-Emissionen führt. Bisher verwendete Technologien und Werkstoffe für Katalysatoren stoßen unter diesen Bedingungen an ihre Leistungsgrenzen. Um die Schadstoffbelastung der Umwelt durch Schadgase, insbesondere durch NOx, auch zukünftig weiter senken zu können, werden neue, leistungsfähigere Werkstoffe benötigt. Das Ziel ist sowohl die Entwicklung eines Katalysators mit integrierter Überwachung und Steuerung mittels Gassensoren für die Abgasnachbehandlung, als auch die Entwicklung von Werkstoffen für die katalytische Verbrennung von Kohlenwasserstoffen. Kerngebiet stellt die Emissionsminderung bei Turbinen, insbesondere bei Flugturbinen, wo noch kein derartiges System existiert, dar. Dabei sollen die keramischen Werkstoffe in der Lage sein, unter netto- oxidierenden Bedingungen, Schadstoffe (NOx, CO, UHC) zuverlässig zu reduzieren bzw. zu detektieren. Dabei nehmen die Umgebungsbedingungen in Turbinen (Temperatur, Druck, Strömungsgeschwindigkeit, usw.) eine besondere Stellung ein. Die Herstellung dieser Werkstoffsysteme erfolgt mit Magnetron-Sputtern, Sol- Gel Verfahren und Elektronenstrahlverdampfung.


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
Dr.-Ing. Manfred Peters
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Institut für Werkstoff-Forschung
, Hochtemperatur- und Funktionsschichten
Tel: +49 2203 601-2438

Fax: +49 2203 68936

E-Mail: Manfred.Peters@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/)