Entwicklung von Oxidationsschutzschichten für den Hochtemperatureinsatz

Abstract

Im Bereich der Luft- und Raumfahrt sowie in der Automobilindustrie und bei der stationären Energieerzeugung werden Werkstoffe verwendet, die extremen mechanischen und thermischen Bedingungen ausgesetzt sein können. Der Einsatz von Materialien bei Temperaturen oberhalb von 700 °C stellt dabei stets einen Kompromiss zwischen optimalen mechanischen Eigenschaften hoch belasteter Bauteile und dem Oxidationsverhalten der verwendeten Werkstoffe dar. So erfolgen ständig Weiterentwicklungen dieser Materialien. Neben thermischen und mechanischen Eigenschaften spielt ebenso die Wirtschaftlichkeit der einzusetzenden Systeme eine große Rolle. Deshalb schreitet die Entwicklung „leichter“ und gleichzeitig temperaturbeständiger Werkstoffe wie z.B. der Titan-Aluminid-Legierungen (TiAl) weiter voran. Da die Titanaluminide in etwa die Hälfte der Dichte von üblicherweise in Flugtriebwerken und stationären Gasturbinen eingesetzten Nickel-Superlegierungen besitzen, sind diese Werkstoffe aufgrund der potentiellen Gewichtsersparnis sehr attraktiv. Ihr Einsatz ist jedoch durch eine unzureichende Oxidationsbeständigkeit bis zu Temperaturen von 750°C begrenzt. Oberhalb dieser Einsatztemperaturen bildet sich vermehrt schnell wachsendes Titanoxid, welches kaum Schutzwirkung im Vergleich zu Aluminiumoxid besitzt. Um das Anwendungsgebiet der TiAl-Legierungen zu höheren Einsatztemperaturen zu erweitern, wird daher versucht, die Affinität des Titans zur Bildung von Oxiden zu vermindern oder das Wachstum von schützenden Deckschichten durch die selektive Oxidation von Aluminium zu erreichen. Neben der Optimierung der Legierungszusammensetzung und dem Ausnutzen des so genannten Halogeneffekts kann der Oxidationswiderstand durch speziell entwickelte Schichtsysteme erhöht werden. Für die Entwicklung derartiger Schutzschichten hat sich gezeigt, dass das Magnetron-Sputtern eine geeignete Möglichkeit zur Schichterzeugung darstellt. Da mit steigender Temperatur die Inter-diffusion zwischen Schicht und Substrat stark zunimmt, darf die Schichtzusammensetzung nicht zu stark von der des Werkstoffes (Ti-45Al-8Nb) abweichen, oder die sich bildenden Phasen weisen eine hohe thermische Stabilität auf. Der Vortrag beschreibt eine Entwicklungsroute, bei der viel versprechende intermetallische Schichten auf der Basis von Ti-Al und Ti-Si sowie das ternäre System Ti-Al-Cr hergestellt wurden.