Zuverlässige Beschichtungen für anspruchsvolle Umgebungen
Auf Oxidschichten basierende Wärmedämmsysteme sind in Gasturbinen für Flugzeugtriebwerke und zur thermischen Stromerzeugung weit verbreitet. Die Vorteile dieser Beschichtungen liegen in der Eigenschaft, den Abbau der darunter liegenden tragenden Komponenten aus Superlegierung mithilfe eines Wärmegradienten zu verhindern. Um die steigenden Anforderungen nach geringeren CO2-Emissionen zu erfüllen, wurde die thermische Effizienz von Gasturbinen durch den Einsatz temperaturbeständiger Beschichtungen für intern gekühlte Komponenten verbessert. Ein Team von kalifornischen Universitäten hat in Zusammenarbeit mit europäischen Forschern im Rahmen des HIPERCOAT-Projektes die Mechanismen untersucht, die Stabilität und Zuverlässigkeit von Wärmedämmschichten (Thermal barrier coatings, TBC) bestimmen. Diese Systeme sind von Natur aus metastabil und ihre Beständigkeit ist aufgrund der Anfälligkeit für Erosion durch den ständigen Aufprall kleiner Partikel begrenzt. Die plastische Deformationsbeständigkeit wurde mithilfe eines neuen Messverfahrens für die Eindrückung von Wärmedämmschichten mit säulenförmigen Mikrostrukturen, die mittels physischer Aufdampfung mit einem Elektronenstrahl aufgebracht werden, untersucht. Für das Testen kugelförmiger Eindrückungen wurde die Testbeschichtung auf einem starren Aluminiumsubstrat aufgebracht und in einem servohydraulischen Hochtemperatur-Ladesystem platziert. Der Nutzen der in Experimenten gewonnenen Informationen hing von einer numerischen Methode für die Faltung der Belastung auf die Messung der Belastungsverteilung ab. Die Modellierungsmethode erläutert das Ausmaß der plastischen Deformation und Verdichtung sowie die durch den Eindruck erfolgte Säulenverformung. Durch das Ausdrücken prominenter einzelner Eigenschaften wie Kontaktreibung und Reibung zwischen den Säulen wurden zudem wichtige Hilfsmittel für die Schätzung der experimentell beobachteten Heterogenität der Verformung geschaffen. Auch wenn die ersten Anstrengungen auf Wärmedämmschichten konzentriert waren, sind die Ergebnisse auf weitere Systeme anwendbar, bei denen die Integrität der Struktur unter anspruchsvollsten Bedingungen gewährleistet sein muss.
