Forschung zu Beschichtungswerkstoffen zur Verlängerung der Motorlebensdauer
Hochlegierte Nickellegierungen haben einen wichtigen Beitrag für den Betrieb moderner Gasturbinen nahe deren Schmelzpunkt sowie deren Beständigkeit gegenüber hohen mechanischen Belastungen geliefert. Das Hinzufügen von Wärmedämmschichten hat die Beständigkeit von Superlegierungen gegen wiederholten und dauerhaften Kontakt mit korrosiven Umgebungen mit hohen Temperaturen weiter gesteigert. Wärmedämmschichten bestehen aus modernsten Keramiken wie yttriumstabilisiertem Zirkonoxid, das eine äußerst geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist, sowie einer Verbindungsschicht, um das darunter liegende Metallsubstrat vor Oxidation und Korrosion zu schützen. Ziel der Forschungsarbeit des HIPERCOAT-Projektes waren mögliche Verbesserungen der thermischen Eigenschaften rutheniumhaltiger Verbindungsschichten durch Definition eines entsprechenden Fertigungswegs. Die Weiterentwicklung der Mikrostruktur an verschiedenen Punkten der Beschichtung mit ruthenium- und platinumhaltigen Stoffen wurde detailliert untersucht. Es wurde eine Wissensbasis als Leitfaden für die Entwicklung von Beschichtungsmaterialien sowie deren Potenzial geschaffen. Durch Interdiffusion aus dem Substrat in der Gasphase von Aluminium und Nickel stellten die Forscher der Universität von Michigan Rutheniumlegierungen und aluminiumreiche Schichten her. Eine Reihe von Diffusionskopplungsversuchen zeigte, dass die Anordnung der Schichten prozessabhängig ist. Beschichtungen mit einer geringen Rutheniumkonzentration führten zu einer NiAl-Schicht außen mit einer darunter liegenden RuAl-Schicht. Weitere Informationen bezüglich Phasenstabilität und Diffusionseigenschaften von Ruthenium bei nickelbasierten krustenbildenden Superlegierungen sind für die weitere Anpassung der Eigenschaften und Entwicklung von Wärmedämmschichten erforderlich. Umfassende Belastungsmodelle und weitere Deformationsmechanismen dieser mehrschichtigen Strukturen bei Temperaturwechseln sind ein zentrales Element für die Vorhersage der Standzeit einer Beschichtungstechnik.