Wärmedämmschichten



Wärmedämmschichten

Turbinenschaufel mit einer weißen, keramischen EB-PVD Wärmedämmschicht auf Basis von Zirkondioxid

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Schichtaufbau eines Wärmedämmschichtsystems

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer Multilagen-Wärmedämmschicht mit verringerter Wärmeleitfähigkeit

Hintergrund

Ein wesentliches Ziel der Materialentwicklung für moderne Flugturbinen ist die Verringerung von Treibstoffverbrauch und Schadstoffemission. Trotz aufwendiger Kühlung und einkristalliner Bauweise stoßen die höchstbeanspruchten rotierenden Teile in der Turbine - die Turbinenschaufeln - an Einsatzgrenzen; hier haben Wärmedämmschichten eine zentrale Bedeutung erlangt. Aufgrund der im Vergleich zum Substrat äußerst geringen Wärmeleitfähigkeit dieser keramischen Schichten lassen sich z.B. mit 200µm Schichtdicke bei innengekühlten Turbinenschaufeln Erhöhungen der Turbineneintrittstemperatur von 100 bis 150°C erzielen.

Schichtaufbau von Wärmedämmschichtsystemen

Eine günstige Kombination von geringer Wärmeleitfähigkeit und angepasster Wärmeausdehnung bietet Zirkondioxid, das jedoch wegen seiner Polymorphie und des Volumensprungs bei der Phasenumwandlung mit anderen Oxiden wie z.B. Y2O3, MgO, oder CeO2. In den letzten Jahren gewann das Gadoliniumzirkonat (Gd2Zr2O7) als Wärmedämmschichtmaterial in der Forschung und Entwicklung an Bedeutung, da es eine erhöhte Resistenz gegen den schädlichen Einfluss von Vulkanasche zeigt. Zum Wärmedämmschichtsystem zählt neben der kolumnaren keramischen EB-PVD-Wärmedämmschicht auch das Trägermaterial (Substrat), typischerweise eine Ni-Superlegierung, und die metallische Haftvermittlerschicht. Letztere ist für den Oxidationsschutz des Trägermaterials und für die zuverlässige Haftung der keramischen Wärmedämmschicht optimiert. Im Institut werden sowohl plasmagespritzte und EB-PVD NiCoCrAlY-Schichten, optimierte MCrAlY’s (z.B. refraktär- oder Seltene Erden-haltige), B2-NiAl+X (X = Cr, reaktive Elemente wie Y, Zr, Hf,… oder Elemente der Platingruppe wie Pt, Pd, …) als auch diffusionsbasierte (Ni, Pt)-Al-Schichten untersucht. Die Lebensdauer von Wärmedämmschichten wird entscheidend durch das Wachstum der Metalloxidschicht (thermisch gewachsenes Oxid, TGO) im Schichtsystem begrenzt. Für die Optimierung von Wärmedämmschichtsystemen ist das Verständnis des Wechselspiels zwischen Herstellungsparametern, Schichteigenschaften, Ausfallmechanismen und Lebensdauer von entscheidender Bedeutung. Deshalb wird diesen Aspekten im Institut für Werkstoff-Forschung besondere Aufmerksamkeit gewidmet.

Entwicklungsschwerpunkte

Neben der Schichtherstellung mittels EB-PVD stehen die Charakterisierung der Schichten, die Beurteilung von Lebensdauer und Versagensmechanismen sowie die Erarbeitung von Lebensdauervorhersagemodellen auf der Basis anwendungsnaher Prüfverfahren im Vordergrund der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten.
Die Entwicklung und die Herstellung neuer Schichtsysteme zielt auf die Erhöhung von Einsatztemperatur und Lebensdauer sowie auf die Verringerung der Wärmeleitfähigkeit ab. Zusammensetzung, Verteilung und Stabilität der beteiligten Phasen, Mikrostruktur, Defektverteilung z.B. im TGO sowie Oxidationsbeständigkeit der Haftvermittlerschicht spielen hierbei eine zentrale Rolle. Beispiele zur Verminderung der thermischen Leitfähigkeit sind Multilayerschichten und alternative Keramiken wie z.B. Zirkonate. Die Schichtentwicklung zielt auch auf einen verbesserten Schutz gegen den Angriff von Ablagerungen wie CMAS oder Vulkanasche ab.

Prüfung von Wärmedämmschichten

Schließlich dient die genaue Kenntnis der Versagensmechanismen der weiteren Verbesserung der Schichtsysteme sowie der Entwicklung von Lebensdauervorhersagemodellen. Zur Beurteilung des Schichtverhaltens werden hierbei zum einen analytische und mikrostrukturelle Charakterisierungsmethoden eingesetzt. Zum anderen stehen anwendungsnahe Schichtenprüfverfahren zur Verfügung: standardisierte Temperaturwechselversuche, Oxidationsversuche, CMAS-Tests, komplexe thermomechanische Prüfungen auch an innengekühlten Proben gekoppelt mit bruchmechanischen Untersuchungen zur Delamination sowie sehr realitätsnahe Tests in einer Instituts-eigenen Kleingasturbine mit beschichteten Turbinenschaufeln.
 


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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