Plasmagespritzte Schutzschicht (EBC /TBC) auf oxidischem Faserverbundwerkstoff
Materialien und Materialentwicklung
Der Einsatz von keramischen Werkstoffen in schnell strömenden Heißgasen kann durch zu übermäßige Materialkorrosion erschwert oder sogar verhindert werden. Dies gilt insbesondere für nichtoxidische Keramikwerkstoffe (wie z.B. Siliziumcarbid SiC), die bei Temperaturen von mehr als 1000 °C stetig durch oxidativen Angriff in sauerstoffhaltigen Atmosphären zersetzt werden. Aber auch oxidationsbeständige Keramiken können durch aggressive Atmosphären angegriffen werden. Ein großes Problem ist dabei beispielsweise heißer Wasserdampf, der neben CO2 bei der Verbrennung von Kerosin oder anderer fossiler Brennstoffe gebildet wird. Besonders oxidische Keramikwerkstoffe auf Silikatbasis werden durch Wasserdampf bei Temperaturen von mehr als 1000°C massiv angegriffen. Dies ist besonders kritisch für keramische Verbundwerkstoffe wie WHIPOX, die mit Fasern auf Basis von Aluminiumsilikat („Mullit“) verstärkt sind. Die Lösung für dieses Problem sind umgebungsstabile Schutzschichten (sog. Environmental Barrier Coatings, EBC) die in der jeweiligen Umgebung (z.B. die Brennkammer einer Gasturbine) besonders korrosionsstabil sind. Ein zweiter wesentlicher Aspekt ist die thermische Überbeanspruchung der oxidischen Faserverbundwerkstoffe, welche sich in einem Verlust an Festigkeit und zunehmender Versprödung manifestiert. Durch das Aufbringen einer hochtemperaturstabilen Thermalschutzschicht (sog. Thermal Barrier Coating, TBC) mit geringer Wärmeleitfähigkeit kann die Einsatzgrenze der oxidischen Faserverbundwerkstoffe zu höheren Temperaturen ausgedehnt werden.
Für oxidische Faserverbundwerkstoffe wie WHIPOX werden verschleißfeste EBC / TBC Beschichtungen auf Basis von Aluminiumoxid, Yttriumoxid und Zirkonoxid entwickelt. Diese Materialien werden den Anforderungen an chemische und thermische Stabilität in schnell strömenden Heißgasatmosphären weitgehend gerecht und sind gleichzeitig gegen die oxidischen Faserverbundwerkstoffe bei typischen Anwendungstemperaturen thermodynamisch stabil. Die Entwicklung von Schichten für oxidische Faserverbundwerkstoffe zielt jedoch nicht nur auf eine Schutzwirkung gegen thermische Überlast und korrosiven Heißgasangriff. Angepasste optische Eigenschaften, d.h. Strahlungsabsorption und Emissivität, sind vor allem für Anwendungen im Bereich der Raumfahrt bzw. dem Hyperschallflug von Interesse. Für das Thermalschutzsystem der DLR-Mission SHEFEX (Sharp Edge Flight Experiment) wurden WHIPOX-Platten entwickelt, welche die beim Hyperschallflug entstehende Reibungswärme in Form von Wärmestrahlung in größerem Maße wieder emittieren können („Strahlungskühlung“). Hierzu die normalerweise wenig emittierenden „weißen“ WHIPOX-Platten mit „schwarzen“ Schichten bzw. Pigmentierungen so modifiziert, dass eine deutlich erhöhte Emission von Strahlungswärme erfolgen kann. Durch diese „Schwärzung“ erhöht sich in gleichem Maße die Absorbtion von Sonnenlicht, so dass schwarz gefärbte Komponenten aus oxidischen Faserverbundwerkstoffen auch als hochtemperaturstabile und oxidationsbeständige Absorberstrukturen für solarthermische Prozesse geeignet sind. Beschichtungstechnologien Ein grundsätzlicher Aspekt bei der Entwicklung von Schutzschichten ist die Identifikation der Beschichtungstechnik. Verschiedene Beschichtungstechniken resultieren beim gleichen Beschichtungsmaterial in der Regel in unterschiedlichen, charakteristischen Mikrostrukturen und daraus folgenden Schichteigenschaften. Je nach der Beschichtungstechnik können nur einfache oder auch komplexe geformte Komponenten erfolgreich beschichtet werden. Um die jeweils optimale Kombination von Material und Beschichtungstechnik zu ermitteln, werden im Institut für Werkstoff-Forschung und mit verschiedenen Kooperationspartnern die meisten gängigen Verfahren zur Herstellung von dünnen Keramikschichten verfolgt: • Flüssig-Verfahren (Tauch-Lackieren, Sol-Gel-Techniken) • Elektronenstrahl-Aufdampfung (Electron-beam physical vapor deposition, EB-PVD) • Kathodenzerstäubung (Magnetron-, Gasfluss-Sputtern)) • Spritzverfahren( atmosphärisches und Vakuum-Plasmaspritzen) • Chemische Gasphasenabscheidung (Chemical vapor deposition, CVD)