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Funktionelle Beschichtungen für keramische Strukturwerkstoffe

Beschichtungstechnologien

Ein grundsätzlicher Aspekt bei der Entwicklung von Schutzschichten ist die Identifikation der Beschichtungstechnik, welche gleichermaßen den Anforderungen an die Schichteigenschaften und wirtschaftlichen Aspekten gerecht wird. Verschiedene Beschichtung­­stechniken resultieren beim gleichen Beschichtungsmaterial in der Regel in charakteristischer Mikrostruktur und daraus folgenden Schichteigenschaften. Um die jeweils optimale Kombination von Material und Beschichtungstechnik zu ermitteln, werden im Institut für Werkstofftechnik und mit verschiedenen Kooperationspartnern die meisten gängigen Verfahren zur Abscheidung von dünnen Keramikschichten verfolgt.

Dies umfasst:

• Chemische Verfahren (Tauch-Lackieren, Sol-Gel-Techniken)

• Elektronenstrahl-Aufdampfung (Electron-beam physical vapor deposition, EB-PVD)

• Kathodenzerstäubung (Magnetron-, Gasfluss-Sputtern)

• Thermische Spritzverfahren (atmosphärisches und Vakuum-Plasmaspritzen)

• Chemische Gasphasenabscheidung (Chemical vapor deposition, CVD)

Materialien und Materialentwicklung

Der Einsatz von keramischen Werkstoffen in schnell strömenden Heißgasen kann durch Materialkorrosion behindert oder sogar ausgeschlossen werden. Dies gilt in besonderem für nichtoxidische Keramikwerkstoffen (wie z.B. Siliciumcarbid SiC), die bei Temperaturen von mehr als 1000 °C stetig durch oxidiativen Angriff in sauerstoffhaltigen Atmosphären zer­setzt werden. Aber auch Keramiken auf Basis von Oxiden, die eigentlich gegen Sauerstoff stabil sind, können durch in aggressiven Atmosphären zersetzt werden. Ein großes Problem ist dabei beispielsweise heißer Wasserdampf, der neben CO₂ bei der Verbrennung fossiler Energieträger

in Gasturbinen gebildet wird. Besonders Werkstoffe auf Silikatbasis werden durch Wasserdampf bei Temperaturen von mehr als 1000°C zunehmend angegriffen. Dies ist besonderem Maße kritisch für offenporige Verbundwerkstoffe wie WHIPOX, die Fasern auf Basis von Aluminiumsilikat („Mullit“) als wesentliche Komponente enthalten. Die Forschungsaktivitäten zielen daher auf geeignete Materialien, die für die jeweilige Umgebung (z.B. die Brennkammer einer Gasturbine) besonders korrosionsstabil sind und als Material für Schutzschichten Verwendung finden können (sog. Environmental Barrier Coatings, EBC).

Ein zweiter Aspekt der Materialentwicklung liegt auf dem Schutz des Grundwerkstoffs gegen thermische Überbeanspruchung. Durch das Aufbringen einer hochtemperaturstabilen Thermalschutzschicht (sog. Thermal Barrier Coating, TBC) mit geringer Wärmeleitfähigkeit kann die Einsatzgrenze des Verbundwerkstoffs zu höheren Temperaturen ausgedehnt werden. Für WHIPOX werden überwiegend Beschichtungsmaterialien auf Basis von Aluminiumoxid, Yttriumoxid und Zirkonoxid entwickelt, da diese Materialien den meisten Anforderungen an chemische und thermische Stabilität gerecht werden und gleichzeitig gegenüber WHIPOX unter typischen Anwendungsbedingungen thermodynamisch stabil sind.

Die Entwicklung von Schichten für WHIPOX zielt jedoch nicht nur auf eine Schutzwirkung gegen thermische Überlast und korrosiven Heißgasangriff. Spezifische funktionelle Eigenschaften wie chemische Reaktivität, Verschleißfestigkeit oder Strahlungsabsorption und –Emissivität gewinnen zunehmend an Bedeutung. Angepasste optische Eigenschaften sind vor allem für Anwendungen im Bereich Solarthermie, Raumfahrt und Hyperschallflug wichtig. Für Anwendungen in der Raumfahrt und im Hyperschallflug, zum Beispiel für das Thermalschutzsystem der DLR-Mission SHEFEX (Sharp Edge Flight Experiment), werden WHIPOX-Materialien gefordert, die Reibungswärme in Form von Wärmestrahlung in größerem Maße wieder emittieren (sog. Strahlungskühlung).

Hierzu wurden Verfahren entwickelt um die normalerweise wenig emittierenden „weißen“ WHIPOX-Verbundwerkstoffe mit „schwarzen“ Schichten bzw. Pigmentierungen so zu modifizieren, dass eine deutlich erhöhte Emission von Strahlungswärme erfolgen kann. Durch die Schwärzung erhöht sich in gleichem Maße die Absorbtion von Sonnenlicht, so dass schwarz gefärbte WHIPOX-Komponenten auch als hochtemperaturstabile und oxidationsbeständige Absorberstrukturen für solarthermische Prozesse geeignet sind.