Verbesserte Bindung

Dec 12, 2023

Lewis Research Center, Cleveland, Ohio

Aktuelle Produktions-Wärmedämmschichten (TBCs) sind nachweislich in der Lage, die Durchschnittstemperaturen metallischer Komponenten um 50 bis 80 °C und die Hot-Spot-Temperatur um bis zu 140 °C zu senken. Diese erhebliche Temperatursenkung wurde genutzt, um die Lebensdauer metallischer Komponenten in Flugzeugturbinen zu verlängern. Für kritische Anwendungen zur Verbesserung der Motorleistung, bei denen deutlich höhere Temperaturen auftreten, sind jedoch TBCs mit höherer Haltbarkeit erforderlich. Es hat sich gezeigt, dass eine verbesserte Haftschicht mit metallischen und Cermet-Schichten die thermische Ermüdungslebensdauer einer plasmagespritzten Wärmebarrierenbeschichtung (TBC) um den Faktor zwei oder mehr erhöht. Diese TBCs können auf Komponenten in Gasturbinen und Dieselmotoren angewendet werden.

Ein typischer TBC besteht aus einer einzelnen metallischen Haftschicht mit einer Dicke von etwa 0,13 bis 0,020 mm (0,005 bis 0,008 Zoll), die mit einer einzelnen Deckschicht aus Keramik mit einer Dicke von etwa 0,13 bis 0,50 mm (0,005 bis 0,020 Zoll) beschichtet ist. Die Haftschicht besteht typischerweise aus MCrAlX, wobei M Ni, Co oder Fe und X Y, Zr, Hf, Yb oder ein anderes reaktives Element bedeutet. Die keramische Deckschicht besteht typischerweise aus Zirkonoxid, das teilweise mit 6 bis 8 Gewichtsprozent Yttriumoxid stabilisiert ist. Die Haftschicht wird typischerweise durch Plasmaspritzen verarbeitet, während die Deckschicht entweder durch Plasmaspritzen oder physikalische Gasphasenabscheidung mit Elektronenstrahlen verarbeitet werden kann. Bei TBCs mit plasmagespritzter Deckschicht wird die Haftschicht mit einer rauen Oberfläche vorbereitet, um die Haftung zu verbessern.

Obwohl die Rauheit der Haftschicht zur Verbesserung der Haftung notwendig ist, verstärkt die Rauheit tendenziell auch die Spannungen, die an der Grenzfläche zwischen der Keramik und der Haftschicht auftreten. Neuere Arbeiten haben gezeigt, dass die hohen Spannungen insbesondere in der Nähe der Spitzen in der rauen Haftschicht auftreten (siehe Abbildung 1). Detaillierte Untersuchungen haben außerdem gezeigt, dass die Spannungen minimiert werden können, indem die thermische Ausdehnung der Spitzen der Haftschicht an die keramische Deckschicht angepasst wird.

Abbildung 2 zeigt ein TBC-Design, das diese Probleme durch die Verwendung einer zweischichtigen Haftschicht löst. Die erste Schicht der Haftschicht ist ein typisches MCrAlX, wie oben für einen herkömmlichen TBC beschrieben. Die zweite Schicht der Haftschicht enthält eine feine Dispersion einer partikulären zweiten Phase in einer MCrAlX-Matrix. Die zweite Phase muss einen Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, der genauso niedrig oder vorzugsweise niedriger als der der mit Yttriumoxid stabilisierten Zirkonoxidkeramikschicht ist, sie muss bis zur beabsichtigten Verwendungstemperatur stabil und gegenüber der MCrAlX-Matrix chemisch inert sein mit der thermisch gewachsenen Aluminiumoxidschicht chemisch kompatibel sein. Zu den möglichen Materialien der zweiten Phase gehören Aluminiumoxid, Chromoxid, Yttrium-Aluminium-Granat, Nickel-Aluminium-Spinell, Yttriumoxid, Mullit und andere Oxide.

Da das Ziel darin besteht, eine Ausdehnungsanpassung der Peaks der zweiten Schicht an das mit Yttriumoxid stabilisierte Zirkoniumoxid zu erreichen, muss die partikuläre zweite Phase kleinere Abmessungen als die Peaks haben, typischerweise weniger als 5 μm, und muss in der MCrAlX-Matrix gut dispergiert sein. Der Volumenanteil der Partikel muss hoch genug sein, um eine weitgehende Anpassung der Spitzenausdehnung an die der Keramikschicht zu erreichen. Bei Aluminiumoxidzusätzen zu MCrAlX ist ein Aluminiumoxid-Volumenanteil von 0,71 erforderlich, um eine Wärmeausdehnungsfehlanpassung von nahezu Null zu erreichen. In der Praxis muss die Wärmeausdehnung der zweiten Schicht gegen die anderen Anforderungen an die Schicht wie Duktilität und Oxidationsbeständigkeit abgewogen werden.

Bisher wurden Beschichtungen durch Plasmaspritzen mit Ausgangspulvern hergestellt, die durch mechanisches Legieren hergestellt wurden. Das entwickelte mechanische Legierungsverfahren hat Plasmaspritz-Ausgangspulver mit bis zu 20 Volumenprozent einer feinen Dispersion von Submikron-Aluminiumoxidpartikeln erzeugt. Die Lebensdauer der Keramikschicht wurde bei TBCs verdoppelt, indem eine Haftschicht mit nur 5 Volumenprozent Aluminiumoxidzusätzen verwendet wurde. Diese technologisch wichtige und wiederholbare Verlängerung der Lebensdauer könnte genutzt werden, um die TBCs auf höhere Betriebstemperaturen zu bringen.

Höhere Volumenanteile von Aluminiumoxid, bis zu 20 Volumenprozent, sollten aufgrund der besseren Ausdehnungsanpassung an die Keramik zu noch längeren Lebensdauern führen. Während einige Proben eine längere Lebensdauer aufwiesen, zeigten diese Zusammensetzungen auch stark unterschiedliche Oxidationsreaktionen. Das Nettoergebnis der unregelmäßigen Oxidationsreaktion war eine Verringerung der durchschnittlichen Lebensdauer dieser Beschichtungen. Alternative thermische Spritzverfahren wie das Hochgeschwindigkeits-Oxy-Brennstoffspritzen (HVOF) erzeugen nachweislich homogenere Partikelverteilungen und versprechen eine noch höhere Verlängerung der TBC-Lebensdauer. Die HVOF-Beschichtungen werden derzeit getestet.

Diese Arbeit wurde von William J. Brindley und Robert A. Miller vom Lewis Research Center und Beverly JM Aikin von der Case Western Reserve University durchgeführt. Für weitere Informationen greifen Sie kostenlos online auf das Technical Support Package (TSP) unter www.techbriefs.com in der Kategorie „Materialien“ zu.

Anfragen zu Rechten zur kommerziellen Nutzung dieser Erfindung richten Sie bitte an

Siehe LEW-16390.

Dieser Artikel erschien erstmals in der Augustausgabe 1998 des NASA Tech Briefs Magazine.

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