Korrosions- und Oxidationsschutzsysteme (EBC) für SiC/SiCFaserverbundkeramiken mit verbesserter Hochtemperaturbelastbarkeit - EBCeTeC

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Dietmar Koch; Professor Dr. Robert Vaßen, seit 8/2024
• Fachliche Zuordnung: Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 532752369

SiC Faser verstärkte SiC-Verbundwerkstoffe (SiC/SiC) sind attraktive Werkstoffe und finden kommerzielle Anwendung in Fluggasturbinen und stationären Turbinen. Im Vergleich zu Nickelbasislegierungen besitzt SiC/SiC eine geringe Dichte (etwa 1/3 der Dichte von Nickelbasislegierungen), gute mechanische Eigenschaften bei hohen Temperaturen und eine hohe Oxidationsbeständigkeit. In Wasserdampfatmosphäre ist SiC jedoch anfällig für Oxidation und Zersetzung durch SiO2-Bildung und Verdampfung. Um SiC/SiC vor wasserdampfhaltiger Atmosphäre in der Gasturbine zu schützen, werden Schutzschichtsysteme (Environmental Barrier Coatings EBC) benötigt. Stand der Technik für EBC ist ein zweilagiges System aus einer Si-Anbindungsschicht (Si-Bondcoat) sowie einer Deckschicht aus Yb-Silikat (Yb2Si2O7). Das Si-Bondcoat schützt SiC/SiC vor Oxidation, während die Deckschicht als Barriere gegen Verdampfung dient. Die Einsatztemperaturgrenze dieses EBC-Systems liegt etwa bei 1350°C. Obwohl die EBCs vornehmlich zum Schutz von CMC entwickelt werden, werden die Degradationsmechanismen vornehmlich an gesintertem SiC diskutiert, wobei die komplexe Grenzfläche zwischen dem SiC/SiC-Substrat und der EBC-Schicht keine ausreichende Berücksichtigung findet. In diesem Projekt werden nun neue höhertemperaturstabile Bondcoat-Systeme auf Basis einer Glaskeramikmatrix aus Seltene-Erd-Aluminosilikaten mit SiC-Partikeln entwickelt. Die SiC-Partikel dienen als Sauerstoffgetter innerhalb der Glaskeramikmatrix. SiC/SiC wird über Polymerinfiltration und Pyrolyse (PIP) mit anschließender reaktiver Schmelzinfiltration (RMI) hergestellt. Die Oberflächenbeschaffenheit von SiC/SiC wird vor der Beschichtung mit dem Bondcoat gezielt modifiziert. Als Bondcoat werden Seltene-Erd-Aluminosilikat- Glaspartikel mit SiC-Partikeln zu einem alkoholbasierten Schlicker verarbeitet. Die beschichteten SiC/SiC-Werkstoffe werden unter Schutzgas bis zur Schmelztemperatur des Glases erhitzt. Anschließend erfolgt die Kristallisation der Beschichtung. Ziel ist es, ein dichtes kristallines Bondcoat-System zu erzeugen, das die Sauerstoffdiffusion in das Substrat effektiv verhindert, das in der Wärmeausdehnung an SiC/SiC angepasst ist und das bei höheren Temperaturen eine vergleichbare Anbindung wie ein Si-Bondcoat besitzt. In einem weiteren Prozessschritt wird die Yb-Silikat- Deckschicht durch atmosphärisches Plasmaspritzen aufgebracht. Die zyklische Oxidation und die Wasserdampfkorrosion werden im Ofen und im Burner-Rig-Test bis 1500°C untersucht. Mit diesen Tests werden die Interaktion der Werkstoffe, die Strukturänderungen und die Degradationsmechanismen identifiziert und unter Anwendungsbedingungen bewertet. Die erzielten Erkenntnisse dieses Projekts werden genutzt, um Strategien für verbesserte Schichtsysteme für Fluggasturbinenbauteile vorzuschlagen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemalige Antragstellerin: Dr.-Ing. Emine Bakan, Ph.D., bis 7/2024