Gasfluss-gesputterte Wärmedämmschichten

Für einen effizienteren Betrieb von Gasturbinen bei höchsten Temperaturen müssen die eingesetzten metallischen Werkstoffe vor Heißgas-Korrosion und vor Überhitzung geschützt werden. Mit dem am Fraunhofer IST entwickelten Gasfluss-Sputterverfahren (GFS) können neuartige und vielversprechende keramische Wärmedämmschichten für hochbelastete Bauteile hergestellt werden.

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Gasfluss-gesputterte Wärmedämmschichten

Je nach Abscheidetemperatur unterscheiden sich die Strukturen der GFS-Wärmedämmschichten (Aufsicht).
© Fraunhofer IST

Je nach Abscheidetemperatur unterscheiden sich die Strukturen der GFS-Wärmedämmschichten (Aufsicht).

Kolumnare Mikrostruktur der GFS-Wärmedämmschichten (Seitenansicht, Bruch).
© Fraunhofer IST

Kolumnare Mikrostruktur der GFS-Wärmedämmschichten (Seitenansicht, Bruch).

Für einen effizienteren Betrieb von Gasturbinen bei höchsten Temperaturen müssen die eingesetzten metallischen Werkstoffe vor Heißgas-Korrosion und vor Überhitzung geschützt werden. Die Herstellung von keramischen Wärmedämmschichten, die in solchen Fällen zum Schutz eingesetzt werden, erfolgt heute beispielsweise mittels Elektronenstrahlverdampfen. Aber auch mit dem am Fraunhofer IST entwickelten Gasfluss-Sputterverfahren (GFS) können neuartige und vielversprechende keramische Wärmedämmschichten für hochbelastete Bauteile hergestellt werden.

Wärmedämmschichten für den Einsatz in Gasturbinen

Der Wirkungsgrad einer Gasturbine kann durch eine hohe Gaseintrittstemperatur signifikant erhöht werden. Bauteile in der Brennkammer einer Turbine sind daher sehr hohen Temperaturen ausgesetzt, denen selbst hochwertige Werkstoffe nicht standhalten können. Mit Hilfe einer aktiven Filmkühlung in Kombination mit Wärmedämmschichten sind jedoch hohe Gastemperaturen von ca. 1400 °C möglich, ohne die Betriebsdauer einzuschränken.

Wärmedämmschichten bestehen in der Regel aus mit Yttriumoxid teilstabilisiertem Zirkoniumdioxid (PYSZ). Die Herstellung dieser Schichten erfolgt üblicherweise durch thermische Spritzverfahren wie z. B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS) oder Elektronenstrahlverdampfen (EB-PVD), wobei beide Verfahren unterschiedliche Mikrostrukturen erzeugen. Sogenannte kolumnare Mikrostrukturen, wie sie beim Elektronenstrahlverdampfen entstehen, weisen unter zyklischer Belastung eine längere Lebensdauer auf als die lamellaren Mikrostrukturen der plasmagespritzten Schichten. Ein alternatives Herstellungsverfahren ist das Gasfluss-Sputtern, ein am Fraunhofer IST entwickeltes Hochrate-Sputterverfahren, mit dem ebenfalls kolumnare Mikrostrukturen mit hoher innerer Porosität erzeugt werden.

Der Wärmetransport durch solche Wärmedämmschichten ist zum einen vom Material und zum anderen von der Photonen- und Phononenleitfähigkeit abhängig. Letztere werden durch innere Grenzflächen weiter reduziert, weshalb eine gezielte Einstellung der Porosität einen positiven Einfluss auf den Wärmewiderstand haben kann.

Gasfluss-gesputterte Wärmedämmschichten

Am Fraunhofer IST wurden Abscheideparameter ermittelt und untersucht, die einen großen Einfluss auf die entstehende Mikrostruktur der Zirkoniumdioxidschicht haben. So wurden mit der Methode des Gasfluss-Sputterns erfolgreich voll- und teilstabilisierte Zirkoniumdioxidschichten unterschiedlichster Strukturen auf einer hochtemperaturbeständigen FeCrAlY-Legierung abgeschieden. Diese Oxidschichten wurden charakterisiert und bei Substrattemperaturen in einem Bereich von 500 °C bis 800 °C auf ihre Eignung als Wärmedämmschicht untersucht. Insgesamt wurden vier verschiedene Mikrostrukturen mit unterschiedlicher interkolumnarer Porosität identifiziert. Mit einer angelegten elektrischen Vorspannung, einer Bias-Spannung, lassen sich die Säulendurchmesser beeinflussen. Außerdem verdichtet ein ausreichend hoher Bias die gesputterte Schicht und beeinflusst so die mechanische Schichtsteifigkeit und die Eigenspannung. Neben der Bias-Spannung ist der zugegebene Sauerstofffluss ein weiterer Prozessparameter, der Dichtheit und Vorzugsorientierung der entstehenden Schichtstruktur verändern kann.

Thermische Zyklierversuche bis zu einer Temperatur von 1050 °C und bei bis zu 1300 Zyklen bewiesen, dass die Lebens­dauer der Gasfluss-gesputterten Schichten sehr stark von der Schichtsteifigkeit und der Sinterneigung bestimmt wird. So zeigten Sinterversuche bei stark gefiederten Säulen selbst nach einer Sintertemperatur von 1200 °C weiter eine hohe Porosität der Schichten, die einen niedrigen Wärmetransport erwarten lässt. Darüber hinaus konnten bei Untersuchungen hochsteifer Schichten Sinterneigungen zwischen den einzelnen Säulen nachgewiesen werden, die zu Segmentierungsrissen führen. Niedrigsteife Schichten hingegen bilden solche Risse nicht aus, zeigen jedoch einen geringeren Widerstand gegen ein Ausbeulen und eine nachfolgende Ablösung der Schicht.

Ausblick

Die beschriebenen Lebensdauer begrenzenden Mechanismen werden derzeit weiter untersucht. Je nach Parameterauswahl zeigten viele der analysierten Schichten in den Tests bereits eine gute Lebensdauer und erscheinen dadurch für den Einsatz als Wärmedämmschichten geeignet. Mit einer sinnvollen Parameterauswahl soll zukünftig ein Kompromiss aus Steifigkeit und Sinterneigung gefunden werden, um eine möglichst lange Lebensdauer der Schichten bei gleichzeitig guter Wärmedämmung zu erreichen.

 

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