Ceramic diffusion barriers for thermal barrier coatings in gas turbine blades
Final Report Abstract
Das Projekt hatte das Ziel, über den Sol-Gel-Weg aufbringbare Oxidationsschutzschichten auf der Basis von Al2O3 für Hochtemperaturanwendungen – speziell für Turbinenschaufeln für stationäre Gasturbinen – zu entwickeln. Als Beschichtungsmedien dienten Böhmit- oder modifizierte Yoldas-Sole, welche entweder allein oder im Gemisch mit dispergiertem Korund zur Anwendung kamen. Im Rahmen der Bearbeitung im ersten Projektabschnitt (07/2002-08/2005) konzentrierten sich die Arbeiten hauptsächlich auf folgende Gebiete: A. Entwicklung und Charakterisierung von Solen und Sol-Suspensionsgemischen, welche die Herstellung von Korundschichten bzw. Korund enthaltenden Aluminiumoxidschichten auf Metallsubstraten ermöglichen, B. Charakterisierung der aus den Beschichtungsmedien erhaltenen Produkte - a) Pulver und b) Schichten - hinsichtlich der thermischen Eigenschaften, der Nahordnungsstruktur, des Phasenbestands, der Morphologie. Zur letztgenannten Problematik erfolgten bei fortgesetzter Projektbearbeitung abschließende Untersuchungen. Diese zeigten, dass die in den modifizierten Yoldas-Solen Al13-Polykationen eine wesentliche Rolle sowohl für die gute Langzeitstabilität als auch für das Phasentransformationsverhalten der resultierenden festen Produkte spielen. Auf der Grundlage der im ersten Projektabschnitt erreichten Ergebnisse stand für die Berichtsphase die Bestimmung von Schichteigenschaften im Mittelpunkt, im Besonderen das thermische Verhalten bei Variation der Zusammensetzung der Beschichtungsmedien, Beschichtungsbedingungen und Substratmaterialien. Als entscheidend für den Projekterfolg wird der Nachweis des Oxidationsschutzes bei Auslagerung von Inconel 718 bei 800 °C angesehen. Selbst nach 4000-stündiger Wärmebehandlung bei dieser Temperatur beträgt die Gewichtszunahme der beschichten Probe nur 50 % der der unbeschichteten Vergleichsprobe. In die zunächst aufgebrachten Aluminiumoxidschichten diffundieren Chrom und Titan aus dem Substratmaterial hinein und bilden verschiedene Oxide und Mischoxide. Auch bei zyklischer thermischer Belastung oder Einwirkung Laser-induzierter Thermoschocks zeigten die Schichten die für ihre Funktion wichtige gute Haftung an den Substraten. Darüber hinaus wurden Aussagen bezüglich - des Zusammenhangs zwischen Haftung, Substratmaterial und Wärmebehandlungen - der Porosität und - der in den Schichten auftretenden Kristallphasen und zugehörigen Korngrößen gewonnen. Die erstmals publizierten Zusammenhänge und Eigenschaftsdaten können als Grundlage für gezielte Eigenschaftsänderungen für weitere Anwendungen dienen. Aufbauend auf diesen Ergebnissen erfolgten über den zunächst gesteckten Rahmen hinaus Beschichtungen von Stählen und orientierende Tests von Schichten bei Auslagerung in Wasserdampf enthaltenden Atmosphären. Deren Ergebnisse sind ein Ausgangspunkt für weitere Arbeiten. Die zusätzlich in das Arbeitsprogramm aufgenommenen Aktivitäten zur Untersuchung des Benetzungsverhaltens der Substrate und seiner Änderungen infolge verschiedener Vorbehandlungen bzw. Beschichtungen oder der Verwendung von Zusätzen zu den Solen bilden die Grundlage für optimierte Beschichtungsprozeduren bzw. für das Verständnis des Auftretens von Beschichtungsfehlern bei ungünstig gewählten Parametern. Die gewonnenen Erkenntnisse lassen sich auf weitere Anwendungen wässriger Beschichtungssysteme übertragen. Die Arbeiten zur Beschichtung von Nickelbasis-Legierungen werden mit der Einreichung einer Dissertation (Dipl.-Ing. M. Feigl, Mai 2010 geplant) einen vorläufigen Abschluss finden. Wie bereits im vorhergehenden Punkt erwähnt, haben weitere Aktivitäten - die Beschichtung von Hochtemperatur-Stählen, die zum Bau von Dampfkraftwerken dienen, und - Tests unter Wasserdampf enthaltenden Atmosphären zum Gegenstand. Dazu wurden gemeinsame Untersuchungen der Fachgruppen V.1 und V.4 konzipiert, ein entsprechender DFG-Antrag formuliert und im April 2009 mit Arbeiten zu einer Promotion auf diesem Gebiet begonnen. Die Auswahl relevanter Substratmaterialien erfolgte in Abstimmung mit der Fa. VM Tubes, welche die entsprechenden Stähle auch zur Verfügung stellt. Zur Beschichtung wurden bisher polierte Substrate verwendet. Eine solche Oberflächenvergütung kann bei dem vorgesehenen Einsatz der Beschichtungen im Kraftwerksbau keine Anwendung finden. Deshalb sind künftig Untersuchungen zum Zusammenhang zwischen Oberflächenbeschaffenheit (Rauhigkeit, Vorhandensein von Kratzern oder Kratern mit einer Ausdehnung von 10 μm und erzielbaren Schichteigenschaften geplant.
