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Development of multifunctional Thermal Barrier Coatings and modelling tools for high temperature power generation with improved efficiency

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Verbesserte Wärmedämmschichten

Gasturbinen werden bei sehr hohen Temperaturen betrieben, und Wärmedämmschichten (thermal barrier coatings, TBC) sind erforderlich, um den Verschleiß von Bauteilen zu vermeiden und den Wirkungsgrad zu erhöhen. Neuartige Beschichtungen versprechen, die Leistung von Turbinen deutlich zu erhöhen.

Industrielle Technologien

Die Energieerzeugung mit Gasturbinen beruht auf der Verbrennung von Treibstoff und der anschließenden Nutzung der äußerst heißen Gase zum Antreiben einer Turbine. Gasturbinen sind bei der Energieerzeugung derzeit eine der am weitesten verbreiteten Technologien und werden überwiegend mit Naturgas betrieben, da dies im Vergleich zur Verbrennung von Kohle erhebliche Vorteile mit sich bringt. Zukunftspläne beinhalten die Nutzung von Wasserstoff oder Synthesegas (eine Mischung aus Wasserstoff, Kohlenstoffmonoxid und Kohlenstoffdioxid). TBC schützen Bauteile vor den hohen Betriebstemperaturen und steigern zudem durch die Minimierung von Wärmeverlusten den Wirkungsgrad der Stromerzeugung deutlich. Ein großes europäisches Konsortium rief das Projekt THEBARCODE (Development of multifunctional thermal barrier coatings and modelling tools for high temperature power generation with improved efficiency) ins Leben, um verbesserte, kostengünstige TBC zu entwickeln. Das Team untersuchte sowohl nasse als auch trockene Deckschichtformulierungen sowie Haftschichten, die direkt für eine Verwendung unter der Deckschicht konzipiert sind. Die Forscher von THEBARCODE entwickelten mit umweltfreundlichen Syntheseverfahren erfolgreich eine Reihe unkonventioneller Materialien sowie eine korrosionsbeständige Nanopulverformulierung für die Haftschicht. Die Oberflächenmodifikation von marktreifem thermischem Spritzpulver wurde als einfache und kostengünstige Möglichkeit untersucht, um Oberflächen mit gradierter Funktionalität herzustellen. Es wurden kostengünstige Anwendungsmethoden angewandt. Hierzu zählten unter anderem Technologien für das thermische Spritzen, für das Plasmaspritzen und für die gepulste Gasphasenabscheidung. Das Team wandte Mikroeindruckstests an, um die Festigkeit der Deckschichten im mikroskopischen Maßstab zu prüfen. Es wurde ebenfalls ein Drei-Punkte-Biegeversuch durchgeführt, um die Biegeelastizität zwischen den Deck- und Haftschichten zu bestimmen. Das Forschungsteam untersuchte daraufhin die mechanischen Eigenschaften, die Wirkung der Glühbehandlung, den Wärmekreislauf sowie das Thermoschockverhalten der entwickelten TBC. Diese Arbeit führte zur Auswahl von fünf vielversprechenden Beschichtungsformulierungen, die auf die realen Triebwerkteile aufgetragen werden. Für eine Analyse der Rissausdehnung wurden neue Modelle entwickelt, welche Prognosen zum Versagen und zur Lebensdauer von TBC ermöglichen. Darüber hinaus untersuchte das Team unterschiedliche Methoden, um die Freisetzungsrate der Formänderungsenergie als Funktion des Wärmekreislaufs in Erfahrung zu bringen. Die Wissenschaftler haben eine ganzheitliche TBC-Technologie mit vollständig neuen Materialien und kosteneffektiven Verarbeitungsmethoden entwickelt, welche die Effizienz bei der Energieerzeugung über Gasturbinen wesentlich verbesserte. Da sich die Welt von der Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen lossagt, handelt es sich hierbei um eine wichtige Übergangstechnologie. Durch die Steigerung des Wirkungsgrads gewinnt auch die Technologie an Bedeutung.

Schlüsselbegriffe

Wärmedämmschichten, Gasturbinen, Energieerzeugung, THEBARCODE, Haftschichten

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