TU BRAUNSCHWEIG

Wärmedämmschichten

 

Wärmedämmschichten werden als Beschichtungen für Werkstoffe eingesetzt, die neben hoher mechanischer Beanspruchung zusätzlich einer Beanspruchung durch hohe Temperaturen ausgesetzt sind. Anwendung finden Wärmedämmschichten z. B. im Turbinenbau, wo sie die Betriebstemperatur hochbelasteter Bauteile verringern. Bei den zu beschichtenden Werkstoffen handelt es sich häufig um Nickelbasis-Superlegierungen, deren mechanische Festigkeit auch bei hohen Temperaturen groß ist und die sich in diesem Bereich als besonders geeignet erwiesen haben.

Obwohl Nickellegierungen auch bei Temperaturen von über 1000°C noch hochfest sind, schmelzen sie doch bei etwa 1300°C. Trotzdem gelingt es, Turbinen zu bauen, deren Gastemperaturen höher sind. Um das zu erreichen, ohne dass die Turbinenschaufeln schmelzflüssig aus dem Triebwerk heraustropfen, werden die Schaufeln von Innen gekühlt: Im Verdichter des Triebwerks wird Gas angesaugt und in das Innere der Turbinenschaufeln geleitet. Diese besitzen kleine Kühllochbohrungen an der Oberfläche, durch die das Kühlgas austritt und so einen kühlenden Film an der Oberfläche der Turbinenschaufel bildet.

Im Material der Turbinenschaufel bildet sich deshalb ein Temperaturgefälle: Innen ist die Temperatur nur bei einigen Hundert Grad Celsius, an der Oberfläche beträgt sie dagegen bis zu 1100°C. Dieses Temperaturgefälle erlaubt es nun, die Turbinenschaufel noch auf eine weitere Weise zu schützen: Durch eine temperaturbeständige Schicht an der Oberfläche, eine so genannte Wärmedämmschicht.

Das Prinzip der Wärmedämmschicht kennt man aus dem Alltag: Topflappen, die aus schlecht wärmeleitendem Stoff gefertigt sind, isolieren die Hand von der hohen Temperatur des Topfgriffs. Bei den Wärmedämmschichten verwendet man eine Keramik, die auf die Oberfläche der Turbinenschaufel aufgebracht wird und die die Nickellegierung so vor der hohen Temperatur des Prozessgases schützt.

Struktur einer Wärmedämmschicht

Aufbau einer Wärmedämmschicht auf einer zylindrischen Probe. Zwischen der Wärmedämmschicht und dem Grundmaterial (Substrat) befindet sich eine Haftvermittlerschicht, die die Haftung verbessert. Das dritte teilbild zeigt, dass sich zwischen dem Haftvermittler und der keramischen Deckschicht eine dünne Oxidschicht bildet. Rechts ist eine Simulation der Spannungen im System zu sehen; in der Nähe der Oxidschicht treten große Spannungen auf, die zum Versagen führen können.  © PD Dr. Martin Bäker

Obwohl Wärmedämmschichten die Temperaturbelastung des Turbinenwerkstoffs senken können, bringen sie ein Problem mit sich: Sie haben nur eine begrenzte Lebensdauer. Während des Betriebs bei hohen Temperaturen dringt Sauerstoff in die Schicht ein, diffundiert durch sie hindurch und erreicht schließlich das darunter liegende Material. Dadurch bildet sich eine Oxidschicht, die schließlich dazu führt, dass die gesamte Wärmedämmschicht von der Turbinenschaufel abplatzt. Ein Forschungsprojekt am Institut für Werkstoffe versucht in Zusammenarbeit mit dem Forschungszentrum Jülich, die genauen Mechanismen, die hinter diesem Versagen der Schichtsysteme stehen, aufzuklären. Dazu werden zum einen Proben beschichtet und unterschiedlichen thermischen Lasten ausgesetzt, zum anderen wird das Verhalten der Schichten mit Computermodellen simuliert um genauer verstehen zu können, unter welchen Bedingungen die Schichten abplatzen. Das Ziel dieser Arbeiten besteht darin, Strategien zu entwickeln, um die Eigenschaften der Schichtmaterialien so zu modifizieren, dass die entstehenden Spannungen gering bleiben und die Lebensdauer sich erhöht.

Wärmedämmschichten können nicht nur in Turbinen, sondern auch in Raketentriebwerken eingesetzt werden. Dabei besteht das Substrat nicht aus Nickelbasislegierungen, sondern aus Kupfer. Im Rahmen des DFG-Transregio 40 werden Wärmedämmschichtsysteme für Kupfersubstrate untersucht und optimiert.

Verantwortlich für diese Projekte sind

Dr. Torben Fiedler

Dr. Martin Bäker


  last changed 06.11.2018
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