Wärmedämmung für die Arbeit mit Hitze
Wärmedämmschichten (TBCs - thermal barriers coatings) schützen die Metalloberflächen bei fortgeschrittenen Turbinentriebwerksbauteilen vor heißen Gasen. Dies sind Doppel- oder Mehrfachschichten aus hoch entwickelter Keramik mit einer sehr niedrigen Wärmeleitfähigkeit und der so genannten Haftvermittlerschicht (bond coat) zwischen der Keramik und dem darunter liegenden Metall. Die Haftvermittlerschicht schützt das Superlegierungssubstrat vor Oxidation und dem Einwirken von Hitzekorrosion. Durch die Oxidation von Aluminium, das in der Haftvermittlerschicht enthalten ist, entsteht ein thermisch gewachsenes Oxid (TGO). Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) wird als Isolierschicht verwendet und durch Verfahren wie Plasmasprühen und Elektronenstrahlbedampfung (EBPVD - electron beam physical vapour deposition) aufgetragen. Zirkonate aus seltenen Erden und kodotierte Zirkoniumoxide sind durch ihren hohen Schmelzpunkt, die geringe Wärmeleitfähigkeit, hohe Temperaturphasenstabilität und gute Sinterbeständigkeit zu einer Alternative für YSZ geworden. Die fachübergreifende HIPERCOAT-Forschergruppe arbeitete gemeinsam an der Erkundung der komplexen Mechanismen und Dynamiken dieser Stoffe und suchte nach Verbesserungen bei Erosionswiderstand und Mikrostrukturstabilität. Die Spallation (Verlust der Beschichtung) ist ein häufig vorkommender Ausfallmechanismus bei TBCs und tritt nach einer kritischen Anzahl von Temperaturwechselbeanspruchungen durch thermische Spannung, Erosion und/oder Korrosion auf. Spallationsausfälle werden häufig durch Risswachstum an oder direkt über der TGO/TBC-Grenzfläche verursacht. Deshalb verwendete man zwischen einem neuartigen TBC-Material und dem TGO eine YSZ-Zwischenschicht von 50 µm Stärke, die auch bei Temperaturen von 1200 °C effektiv als Diffusionsbarriere wirkt. Analysen mit einem Transmissionselektronenmikroskop ergaben keine größere oder an Grenzen gehende Interdiffusion zwischen den neuartigen TBC-Materialien auf der Grundlage von Zirkonaten aus seltenen Erden und dem TGO. Darüber hinaus wächst das Zirkonat epitaxial auf den YSZ-Säulen, es steigt aus der EB-PVD-Ablagerung auf und verursacht keine Störungen der Mikrostruktur. Die Integrität dieser Grenzfläche deutet auf seine Haltbarkeit bei Temperaturwechselbeanspruchungen hin. HIPERCOAT baut die wissenschaftliche Basis für multifunktionale Hochtemperaturbeschichtungen aus und führt damit die Entwicklung in diesem Bereich an. Anwendungsgebiete dafür liegen in verschiedenen Industriezweigen.
