Schichtherstellung



Herstellung einer Hochtemperatur-Schutzschicht

Bruchfläche einer kolumnaren, keramischen Wärmedämmschicht auf Basis von Zirkondioxid

Zur Herstellung von Wärmedämmschichten werden am Institut für Werkstoff-Forschung zwei EB-PVD-Großanlagen (EB-PVD: electron beam physical vapour deposition) betrieben: eine 60kW-Eintiegelanlage und eine 150kW-Zweitiegelanlage mit Springstrahl-Elektronenkanone. Die Prozessparameter sind identisch mit denen von industriellen Produktionsanlagen. Beim EB-PVD-Verfahren wird in einer Vakuumkammer ein feinfokussierter Elektronenstrahl von bis zu mehreren 100kW Leistung über das zu verdampfende Material (Metall oder Keramik) geführt. In der Dampfwolke werden die vorgeheizten Turbinenschaufeln geeignet positioniert und bewegt. Durch Abscheidung der Dampfteilchen an den kälteren Schaufeln findet ein stetiges Schichtwachstum mit Aufdampfraten von 5-20µm pro Minute statt. Die für das EB-PVD-Verfahren typische kolumnare Struktur verleiht den aufgedampften Wärmedämmschichten ihre ausgezeichnete Toleranz gegen Thermoschocks und thermomechanische Spannungen. Die nahezu einzeln stehenden Stängel sind dabei relativ frei gegeneinander beweglich und nur am Fußpunkt mit dem Untergrund verhaftet. Bei Erwärmung dehnt sich das Substrat stärker als die Keramik aus, wobei sich die Stängelzwischenräume vergrößern und so der Keramikschicht eine Pseudo-Plastizität verliehen wird.

Für Voruntersuchungen, Diffusionsbarriereschichten und Materialentwicklungen stehen weiterhin mehrere DC/RF-Magnetronsputteranlagen zur Verfügung.
Zur Herstellung eines kompletten Wärmedämmschichtsystems incl. Haftvermittlerschicht sind alle notwendigen Einrichtung wie z.B. zur Behandlung der Haftvermittlerschicht (Peening, grit blasting, Glühöfen) vorhanden. EB-PVD Verdampfermaterial nicht-kommerzieller Zusammensetzung (Ingot) kann mit einer patentierten pulverbasierten Technologie hergestellt werden.

Charakterisierung und Prüfung

Für die Optimierung und ständige Qualitätssicherung der Schichten werden entsprechende Charakterisierungsmethoden (z.B. Röntgenfluoreszenz RFA, GDOS, Schichtdickenmessung, Rauigkeitsbestimmung, scratch-Tester etc.) eingesetzt. Die entsprechende Analytik (Rasterelektronenmikroskopie, Transmissionselektronenmikroskopie, Thermowaagen, Thermographie) steht zur Verfügung.
Die Prüfung der Wärmedämmschichten erfolgt zumeist in standardisierten computergesteuerten Thermowechselprüfständen bei z.B. 1100°C mit Schnellabkühlung bis Raumtemperatur. Typische Lebensdauern bei 1h-Zyklen (50min Heizen/10min Kühlen) betragen 500 bis 3000h. Neben Oxidationsversuchen mit Gewichtsmessung (Thermowaage) werden Wärmedämmschichten auch unter komplexer thermisch-mechanischer Last mit Temperaturgradienten geprüft.

Zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit wird das Laser-Flash-Verfahren mit der Möglichkeit der Auswertung von Multischicht-Proben verwendet.


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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