Entwicklung von Hochentropie-Oxiden als neue Wärmedämmschichten
Doktorandin: Giulia Bianchi
Um die Umweltauswirkungen von Flugverkehr zu reduzieren, ist die Verbesserung der Effizienz der Turbinen von großer Bedeutung. Diese hängt maßgeblich von der Betriebstemperatur ab: je höher die Temperatur, desto höher der Wirkungsgrad. Allerdings limitieren die Schmelzpunkte der metallischen Bauteile die Verbrennungstemperatur des Treibstoffs.[1] Die Rotorblätter der Turbine bestehen aus einer Nickel-Superlegierung beschichtet mit einer keramischen Schutzschicht, der sogenannten Wärmedämmschicht (WDS). Diese isolieren die Nickel-Superlegierung thermisch, um die Nutzungsdauer zu verlängern. Wichtige Materialeigenschaften sind: passender thermischer Ausdehnungskoeffizient in Bezug auf das metallische Substrat, geringe Wärmeleitfähigkeit, keine Phasenübergänge im verwendeten Temperaturreich, gute mechanische Eigenschaften und Korrosionsresistenz.[2] Aktuell werden in Turbinen WDSs aus Yttrium-stabilisiertem Zirkonoxid (YSZ) in der metastabilen tetragonal t´‑Phase verwendet. Einkristalline Nickel-basierte Superliegerungen werden aufgrund ihrer mechanischen Stabilität verwendet, während das YSZ eine geringe Wärmeleitfähigkeit besitzt (~2 Wm-1 K-1 bei 1000 °C, abhängig von der Syntheseart). Zusätzlich besitzt YSZ einen relativ hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (~11∙10-6 K-1), der dem der Basislegierung ähnelt und dadurch thermische Spannung vermindert. Allerdings findet oberhalb von 1200 °C eine Phasenumwandlung von der metastabilen YSZ-Phase in eine stabile YO1.5-reiche kubische Phase und eine YO1.5-arme tetragonale Phase statt. Daher ist der Temperaturbereich für die Anwendung auf ~1200 °C limitiert.[3,4]
In diesem Verbund mit dem Lehrstuhl Metallische Werkstoffe II an der Universität Bayreuth sollen neue Materialkomposite untersucht werden, um die Temperaturlimitierung zu überwinden, die Effizienz zu erhöhen und Umwelteinflüsse zu verringern. Dazu sollen Silizium-Chrom-Legierungen (untersucht durch den Kooperationspartner an der Universität Bayreuth) herkömmliche Nickel-Superlegierungen ersetzen und Hochentropie‑Oxide (HEOs) als WDS-Materialien (Justus-Liebig-Universität Gießen) genutzt werden. HEOs werden aufgrund ihrer variierbaren Eigenschaften, wie thermischer Ausdehnungskoeffizient und hohe thermische Stabilität, genutzt. Sie sind komplexe, einphasige Oxide mit fünf oder mehr Kationen in äquimolarem Verhältnis. Die unterschiedlichen Kationen sind statistisch im Kristallgitter verteilt, wodurch die Konfigurationsentropie erhöht und das Gitter stabilisiert wird.[2] Allerdings beinhalten die HEOs, die sich am besten als WDSs eignen, oft Seltenerdelemente, wodurch die Kosten steigen und die Attraktivität für die Industrie sinkt. Daher ist ein weiteres Ziel dieser Arbeit die Kosten durch Nutzung von verfügbareren Elementen, wie Übergangsmetallen, zu verringern.[3,5]
Quellenangabe:
[1] J. H. Perepezko, Science (New York, N.Y.) 2009, 326, 1068.
[2] E. Bakan, D. E. Mack, G. Mauer, R. Vaßen, J. Lamon, N. P. Padture in Advanced Ceramics for Energy Conversion and Storage, Elsevier, 2020, pp. 3–62.
[3] L. Cong, W. Li, J. Wang, S. Gu, S. Zhang, Journal of Materials Science & Technology 2022, 101, 199.
[4] D. R. Clarke, M. Oechsner, N. P. Padture, MRS Bull. 2012, 37, 891.
[5] K. Ren, Q. Wang, G. Shao, X. Zhao, Y. Wang, Scripta Materialia 2020, 178, 382.
Dieses Projekt wird gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (FKZ: 20E2222A).
