Entwicklung heißgaskorrosionsbeständiger Schutzschichtsysteme auf nichtoxidischen Si basierten Keramiken für Turbinenanwendungen

• Antragsteller: Dr. Günter Motz
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 453000562

Eine nennenswerte Erhöhung des Wirkungsgrads von Gasturbinen bei Verwendung von Superlegierungen ist auch durch aufwendige Kühlkonzepte nicht zu erwarten. Hierfür bieten sich aber nichtoxidische Si basierte Keramiken wie Si3N4, SiC aber auch keramische Faserverbundwerkstoffe wie SiC/SiC an. Diese Keramiken erlauben eine beträchtliche Steigerung der Betriebstemperaturen, haben eine geringe Dichte und sind sehr oxidationsstabil durch eine passivierende SiO2 Schutzschicht. Die Bildung der Oxidschicht erweist sich jedoch als großer Nachteil unter Heißgaskorrosionsbedingungen, da es durch Reaktion mit Wasserdampf aus den Verbrennungsgasen der Turbine zur Ausbildung von flüchtigem Si(OH)4 kommt, das die geforderte Langzeitstabilität der Bauteile nicht gewährleistet. Hierfür weisen Schutzschichten auf Basis von Ytterbiumdisilikat (Yb2Si2O7) ein großes Potential auf, da sie eine ausgezeichnete Heißgaskorrosionsstabilität und den passenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu Si3N4, SiC und SiC/SiC besitzen. Vor kurzem konnte von uns gezeigt werden, dass ein Beschichtungssystem bestehend aus dem Silazan Durazane 1800 (keramischer Binder und SiO2 Quelle), Yb2O3 und elementarem Si als aktive Füllstoffe, durch Sprühen auf Si3N4 Substraten appliziert, anschließend bei 1415 °C in Luft pyrolysiert, zu einer dichten, überwiegend aus Yb2Si2O7 bestehenden Schicht führte. Allerdings bildete sich zwischen den Yb2Si2O7 Kristalliten unerwünschtes SiO2 als zusätzliche Phase, die sich als Schwachstelle bei den anwendungsnahen Heißgaskorrosionstests (v = 100 m/s, 1200 °C für 200 h) erwies. Aus diesem Grund ist die Vermeidung dieser Phase entscheidend, um einen wirksamen Schutz von nichtoxidischen, Si basierten Keramiken für die geforderte Lebensdauer (t > 10.000 h) von Turbinenbauteilen zu gewährleisten. Hierfür sollen im Rahmen des Vorhabens zwei Strategien erforscht werden. In Strategie 1 werden Metallpulver oder Oxide der Elemente Yb, Sc bzw. Hf in nanoskaliger Partikelgröße zu den bisher verwendeten Beschichtungskomponenten zugegeben, um die sich während der reaktiven Pyrolyse bildende SiO2 Phase zwischen den Yb2Si2O7 Kristalliten in geeignete Silikate umzuwandeln. Bei Strategie 2 wird das Silazan chemisch mit den erwähnten Elementen modifiziert, so dass sich während der Pyrolyse in Luft kein freies SiO2 zwischen den Yb2Si2O7 Kristalliten sondern nur die entsprechenden Silikate bilden können. Um die Silikatbildung für beide Strategien gezielt zu steuern und die Wechselwirkungen der Beschichtungskomponenten miteinander während der Pyrolyse zu untersuchen, erfolgen zunächst grundlegende Versuche an Monolithen. Anschließend werden die Si3N4, SiC und SiC/SiC Substrate mit ausgewählten Suspensionen beschichtet, zu ausreichend dicken (> 100 µm) Schichten pyrolysiert und umfassend hinsichtlich mechanischer und physikalischer Eigenschaften vor allem aber der Heißgaskorrosionsbeständigkeit charakterisiert, um das Anwendungspotenzial der entwickelten Systeme zu bewerten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen