Strukturaufgelöste Untersuchungen zum Mechanismus der H2O-Hochtemperaturkorrosion von Mullit

• Antragsteller: Professor Dr. Hartmut Schneider
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2004 bis 2007
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5425594

Mullit ist in abgeschlossenen Systemen auch bei sehr hohen Temperaturen (T 1700°C) thermodynamisch stabil. In offenen Systemen mit Volumenstrom von H2O-reichen Gasen, wie sie z.B. in Brennkammern von Gasturbinen auftreten, beobachtet man jedoch schon bei Temperaturen unterhalb von 1200°C einen partiellen Zerfall des Mullit zu a-Al2O3 und volatilen Si-OH-Spezies. Unter diesen thermodynamischen Bedingungen wird die Lebensdauer von mullitischen Werkstoffen primär durch diese Zersetzungsreaktion begrenzt. Die Untersuchung der grundlegenden Mechanismen und der Kinetik der Zersetzungsreaktion von Mullit sind Gegenstand dieses Forschungsvorhabens. Dazu werden systematische Korrosionsversuche in einer speziell hierfür ausgelegten Reaktionskammer an Mulliteinkristallen (2/1-Zusammensetzung: 72 Gew.% Al2O3) und polykristallinen Mullitkeramiken (3/2-Zusammensetzung: 78 Gew.% Al2O3) durchgeführt. Außerdem soll das Korrosionsverhalten von CVD-abgeschiedenem, Al2O3-reichem Mullit (Zusammensetzung nahe t-Al2O3) erfasst werden. Dabei soll die Zersetzung hinsichtlich struktureller und kristallchemischer Effekte an Einkristallen sowie Korngrenzeneffekte an polykristallinen Mullitkeramiken untersucht werden. Die Zersetzungssequenz wird mit XRD, REM und TEM analysiert. Dadurch soll zunächst geklärt werden, ob und wie die Reaktionen strukturkontrolliert (anisotrop) verlaufen. Besondere Bedeutung kommen TEM-Untersuchungen zu, die klären sollen, ob das neu gebildete a-Al2O3 epitaktisch auf- und in Mullit einwächst. Von zentraler Bedeutung ist auch die Frage, welchen Einfluss die Korngrenzen und Korngrenzenphasen auf die Zersetzung haben. Aus der Kenntnis der Korrosionsmechanismen sollen Lebensdauermodelle für mullitische Keramiken abgeleitet und Konzepte zum Schutz gegen Hochttemperatur-H2O Dampfkorrosion entwickelt werden. Die Untersuchungen haben neben der fundamentalen wissenschaftlichen Bedeutung auch technische Relevanz. Ziel dabei ist die Steierung des thermischen Wirkungsgrades von Gasturbinen durch die Auskleidung der Brennkammer mit Thermalschutzsystemen aus mullitischen Keramiken und Verbundwerkstoffen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen