Phasencharakterisierung an Wärmedämmschichtsystemen auf Titanaluminiden zur Anwendung in der Flugzeugturbine mittels Transmissionselektronenmikroskopie

Kurzfassung

Derzeit liegt das Augenmerk bei der Entwicklung innovativer Legierungen für Hochtemperaturanwendungen in der Luftfahrt und der Automobil- und Energietechnik vor allem auf der Reduzierung von CO2-Emissionen durch die Einsparung von Treibstoff. Aufgrund dessen ist eine Gewichtsreduzierung von Nöten. Dies wird erreicht, indem man Werkstoffe mit einer geringeren Dichte einsetzt. Um zusätzlich Treibstoff einzusparen, ist es notwendig, den Wirkungsgrad für z.B. Triebwerke in der Luftfahrt zu erhöhen. Dies kann durch eine Erhöhung der Verbrennungstemperatur realisiert werden. Die Werkstoffe oder Werkstoffsysteme müssen die für die Anwendung erforderlichen mechanischen Eigenschaften bei vorgegebenen Betriebsbedingungen erreichen, gleichzeitig muss eine ausreichende Bearbeitbarkeit der Werkstoffe gewährleistet sein. Titanlegierungen, insbesondere die γ-Titanaluminide (γ-TiAl), weisen für Hochtemperaturanwendungen bei Temperaturen von bis zu 800 °C ein geeignetes mechanisches Eigenschaftsprofil und eine ausreichende Oxidationsbeständigkeit auf. In Flugzeugturbinen finden die Titanaluminide aufgrund ihrer geringen Dichte und hohen Kriechbeständigkeit derzeit in Temperaturbereichen bis 800 °C Anwendung. In den letzten beiden Schaufelreihen der Niederdruckturbine des General Electric GEnxTM-1B Triebwerks der Boeing 787 Dreamliner und in dem GEnx-2B Triebwerk der Boeing 747-8 ist diese Innovation realisiert worden. Damit die γ-Titanaluminide auch bei höheren Temperaturen einsetzbar sind, helfen geeignete Wärmedämmschichtsysteme. Bestehend aus einer intermetallischen Haftvermittlerschicht, einer thermisch gewachsenen Oxidschicht und einer keramischen Wärmedämmschicht, kann dieses System mit zusätzlicher innerer Luftkühlung des Bauteils die Oberflächentemperatur des Substrats um etwa 100-150°C verringern. Gelingt es, entsprechende Kühlleitungen in das spröde Material einzubringen, kann die Einsatztemperatur der Titanaluminide auf 900 °C gesteigert werden. Am Institut für Werkstoff-Forschung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. in Köln wurden bereits Untersuchungen, die sich mit der Analyse der Lebensdauer von Wärmedämmschichtsystemen mit intermetallischen Ti-Al-Cr-Zr Haftvermittlerschichten auf γ-Titanaluminiden beschäftigt haben, durchgeführt. In diesen Untersuchungen war eine eindeutige Charakterisierung der entstandenen Phasen in der Haftvermittlungsschicht nach Thermozyklierversuchen mittels energiedispersiver Röntgenanalyse (EDX) im Rasterelektronenmikroskop und Röntgendiffraktometrie (XRD) nicht möglich. Ziel dieser Arbeit ist es, mittels Elektronenbeugung am Transmissionselektronenmikroskop diese Phasen eindeutig zu charakterisieren. Bei diesem Verfahren ist es möglich, auch Phasen oder Partikel von wenigen Nanometern zu identifizieren. Die Auswertung der entstandenen Beugungsmuster lässt es zu, genauere Aussagen über Gitterstruktur der Phasen und die Substitution einzelner Atome im Gitter vorzunehmen. Mit diesem Beitrag soll versucht werden, das Forschungsvorhaben, die Einsatztemperatur von Titanaluminiden durch das Aufbringen von Wärmedämmschichtsystems zu erhöhen, voranzutreiben.