Schutzschichtsysteme für neue Materialien in der Gasturbine

Abstract

Technologische Verbesserungen im Verkehrsflugwesen motivieren sich im Wesentlichen aus ökonomischen und ökologischen Gründen. So werden Umweltaspekte wie Schadstoff-emission und Lärmbelastung wie auch Optimierungen im Hinblick auf verminderten Treibstoffverbrauch, höhere Leistungen und ein verbessertes Verhältnis von Nutzlast zu Leergewicht diskutiert. Die Verringerung des Konstruktionsgewichtes, speziell der Gasturbine, ist ein Ansatz zur Lösung dieser Aufgabenstellung. Hierbei ist der Einsatz leichterer Werkstoffe wie Titanlegierungen (γ-TiAl), deren mechanische Eigenschaften im angestrebten Temperaturbereich denen der bisher verwendeten Nickel-Superlegierungen nahe kommen, z. B. als Schaufelmaterial ein viel versprechendes Konzept. Die unzureichende Oxidationsbeständigkeit von γ-TiAl führt aufgrund der gleichzeitigen Bildung von Titanoxid und Aluminiumoxid bei Temperaturen über 700 °C zur Notwendigkeit von Schutzschichten. Hierbei werden unterschiedliche metallische Systeme wie z.B. TiAlCr und nichtmetallische Systeme wie z.B. TiAlYN/CrN, Al₂O₃ untersucht. Die Herstellung derartiger Schichten geschieht mittels Kathodenzerstäubung in einer Magnetron-Sputter-Anlage. Dabei ist es notwendig, die Targets durch z.B. Einbringen von Stopfen anderer Materialien konstruktiv derart zu verändern, dass ternäre oder höherelementhaltige Systeme mit der optimalen Elementzusammensetzung erzeugt werden können. Die Anforderungen an die Schicht bestehen zum einen in dem hohen Oxidationswiderstand, der Kompatibilität mit dem Substrat sowie der mechanischen Belastbarkeit. Weiterhin sollte das Schichtsystem einen dem Substrat ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen, um ein Abplatzen vom Grundwerkstoff unter Hochtemperaturanwendungen zu verhindern. Das Substrat benötigt zudem zusätzlich im Anwendungsbereich mit Temperaturen bis 1000°C einen thermischen Schutz. Durch das Aufbringen von Wärmedämmschichten lassen sich die Einsatztemperaturen bei gleichzeitiger Bauteilkühlung steigern. Als besonders geeignet zeichnen sich mittels EB-PVD-Verfahren aufgetragene Zirkonoxidschichten aus. Deshalb ist es ebenso notwendig, dass die Oxidationsschutzschicht auch eine Haftvermittlerfunktion übernimmt. Das Ziel der Arbeit besteht in der Erhöhung des Oxidationsschutzes durch Optimierung der Zusammensetzung von metallischen und nichtmetallischen Schichtsystemen für Langzeit-anwendungen bei Temperaturen bis 1000 °C sowie in der Evaluierung der Wechselwirkung zwischen Oxidationsschutz- und Wärmedämmschicht, um den Einsatz in Gasturbinen zu ermöglichen.