APS- und HVOF-Beschichtungszentrum
Final Report Abstract
Das APS- und HVOF-Beschichtungszentrum wurde in den letzten drei Jahren intensiv für die Entwicklung von metallischen Schichten für Hochtemperaturanwendungen verwendet. Im Folgenden werden zwei Projekte zu diesem Themenkreis kurz vorgestellt. Ein Projekt befasste sich mit der Entwicklung eines Wärmedämmschichtsystems für neuartige CoRe-Legierungen, die für Einsatztemperaturen bis 1200 °C vorgesehen sind. Als Top-Coat wurde sowohl teilstabilisiertes (PSZ) als auch vollstabilisiertes (YSZ) Zirkonoxid verwendet. Für die Haftvermittlerschicht wurde eine CoRe-Legierung entwickelt, die chemisch ähnlich zur Substratlegierung Co-17Re-23Cr sein sollte, jedoch auch eine gute Oxidationsbeständigkeit bietet. Letzteres wurde durch Hinzugabe von 2 gew.-% Silizium erreicht, welches dafür sorgt, dass sich nicht nur eine dichte Chromoxidschicht bildet, sondern dass zudem das Wachstum dieser Oxidschicht verlangsamt wird. Die metallische Haftvermittlerschicht wurde im neuen Beschichtungszentrum mittels HVOF, die keramischen Top-Coats mit APS appliziert. Durch den modularen Aufbau des Beschichtungszentrums mussten die zu beschichteten Substrate nicht umgerüstet werden, so dass es durch den Wechsel des Beschichtungsprozesses zu keiner Kontamination der Oberfläche der Haftvermittlerschicht kommen konnte. Thermische Zyklierversuche mit den neuen Schichten haben gezeigt, dass diese nicht nur für den Einsatz bei 1200 °C geeignet sind, sondern auch eine bessere Schichthaftung aufweisen als vergleichbare Schichtysteme auf Nickelbasis. In einem anderen Projekt wurden metallische Wärmedämmschichtsysteme für Raketenbrennkammern entwickelt. Für das verwendete Kupfersubstrat wurde eine neue Haftvermittlerschicht auf Cu-Ni-Basis entwickelt. Als Top-Coats kamen eine Ni-Basis Superlegierung sowie die o.g. CoRe-Schicht zum Einsatz. Das Schichtsystem wurde komplett mittels HVOF hergestellt. Aufgrund mehrerer vorhandener Pulverförderlinien kann auch hier die komplette Beschichtung in einem Arbeitsgang appliziert werden. Die neu untersuchten Schichten zeigen eine deutlich verbesserte Lebensdauer als früher verwendete herkömmliche APS-Beschichtungen mit einer Ni-Basis Haftvermittlerschicht und einem keramischen Top-Coat, was nicht nur durch die neuen Schichtmaterialien, sondern auch durch den verbesserten Beschichtungsprozess im neuen Beschichtungszentrum erreicht werden konnte. In thermischen Zyklierversuchen wurden bisher vier verschiedene Schädigungsmechanismen beobachtet: Delamination (a), Buckling (b), vertikale Risse (c) und Kirkendall-Porosität (d). Wie und bei welchen Lasten diese Schädigungen zu einem kompletten Schichtversagen führen, soll nun mit einem detaillierten Schädigungsmodell geklärt werden, um zukünftige Schichtsysteme auslegen zu können. Ein weiteres mögliches Schichtsystem für Raketentriebwerke, eine gradierte Ni-Basis-Schicht mit Kupfer, konnte zwar erfolgreich mit der vorhandenen Hardware entwickelt werden. Thermische Zyklierversuche zeigten jedoch, dass dieses für die extremen Bedingungen im Raketentriebwerk nicht geeignet ist.
Publications
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Design of a Nickel-Based Bond-Coat Alloy for Thermal Barrier Coatings on Copper Substrates. Metals, 4, 503 (2014)
T. Fiedler, T. Fedorova, J. Rösler and M. Bäker
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Development of a NiCuCrAl Bond Coat for Thermal Barrier Coatings in Rocket Combustion Chambers. Journal of Thermal Spray Technology, 24, 1480 (2015)
T. Fiedler, J. Rösler, M. Bäker
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Development of thermal-barrier coating-systems for rocket combustion chambers. 6th European Conference for Aeronautics and Space Sciences, Krakow, Poland, 2015
T. Fiedler, J. Schloesser, J. Rösler and M. Bäker
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Stress evolution in thermal barrier coatings for rocket engine applications. Mechanics of Advanced Materials and Modern Processes 1:5 (2015)
M. Bäker, T. Fiedler, J. Rösler
