Zirkoniumdioxidbasierte Wärmedämmschichtsysteme für erweiterte Temperaturbereiche

• Antragsteller: Privatdozent Dr.-Ing. Mathias Galetz; Professor Dr.-Ing. Matthias Oechsner; Professor Dr. Robert Vaßen
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 445688870

Im beantragten Forschungsvorhaben werden, mit dem Ziel der Erhöhung der Arbeitstemperatur von Gasturbinen, zwei wesentliche Aspekte untersucht. Zum einen soll nach Möglichkeiten geforscht werden, wie sich der Einsatzbereich des Standardmaterials 8YSZ zu Temperaturen oberhalb 1250 °C erweitern lässt. Zum anderen sollen einlagige Spritzschichten aus alternativen Keramiken erzeugt werden, die eine im Vergleich mit 8YSZ verbesserte Phasenstabilität bei hohen Temperaturen aufweisen und für den Einsatz bis 1600 °C geeignet sind. Im Fokus steht dabei zunächst die Studie der Umwandlungsprozesse unter den veränderten Prozess- und Betriebsbedingungen, die für eine Lebensdauerbewertung im erweiterten Einsatzbereich zukünftiger Wärmedämmschichten notwendig sind. Zur Erweiterung des Einsatzbereichs von 8YSZ oberhalb 1250 °C wird der Einfluss der Mikrostruktur auf Phasenumwandlung und Sinterverhalten von 8YSZ bei sehr hohen Temperaturen untersucht. Da die Hochtemperaturstabilität und somit die Lebensdauer der Wärmedämmschichten stark von der Phasenumwandlung und dem Sinterverhalten abhängt, ist ein Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen und der zeitlichen Entwicklung dieser Eigenschaften von fundamentaler Bedeutung für die möglichen Einsatzfelder. Beide Prozesse sind temperaturabhängig und bei hohen Temperaturen beschleunigt, allerdings gibt es Hinweise, dass durch eine besonders feinkörnige Mikrostruktur die Phasenumwandlung und das Versintern verzögert stattfinden. Ebenso könnten sehr schnelle Abkühlraten dazu führen, dass die Phasenumwandlung unterdrückt wird. Ein Ziel ist es daher, die zugrundeliegenden Mechanismen aufzudecken, um durch geeignete Wahl der Prozessparameter oder spezielle Spritzverfahren Schichten zu erzeugen, die eine mikrostrukturell bedingte Verbesserung der Phasenstabilität und des Sinterverhaltens aufweisen. Ein Einfluss der Abkühlrate auf die Phasenumwandlung soll durch entsprechende Experimente aufgeklärt werden und kann ebenfalls zu einer Erweiterung des Einsatzbereichs des 8YSZ führen.Der zweite Teilaspekt des Vorhabens, der sich mit neuen Materialien für den Einsatz bis 1600 °C beschäftigt, ist die Entwicklung einer Wärmedämmschicht aus einer alternativen zirkoniumdioxidbasierten Keramik. Hierfür wurden vier repräsentative Kandidaten aus dem Bereich der ko-dotierten Zirkoniumdioxide ausgewählt, die einen gegenüber dem 8YSZ zu höheren Temperaturen erweiterten Stabilitätsbereich aufweisen. Die Auswahl umfasst dabei zum einen einfache Systeme, bei denen Dotierungsstrategien wie Stabilisierung der tetragonalen Phase, Erhöhung der Risszähigkeit oder Erhöhung der Tetragonalität verfolgt werden (Ta-Y, Ce/Sc-Y). Zusätzlich soll die Ko-Dotierung mit Aluminiumdioxid untersucht werden. Schließlich wird ein bereits kommerziell verfügbares komplex dotiertes System als weiterer Benchmark gewählt. Auch hier ist wenig untersucht, inwieweit Herstellungsprozess, Mikrostruktur und Betriebsparameter die Stabilität des Systems beeinflussen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen