Multikomponentige äquimolare Oxide als Hochleistungsmaterialien für zukünftige Wärmedämmschichten (MEO-TBCs)
Doktoranden: Jonas Johannes Pflug und Manuel Schenker
Hinsichtlich der Energieversorgung und effizientere Nutzung von Ressourcen steht die Minimierung des Gebrauch von Treibstoffen und die maximale Ausschöpfung energiebringender Prozesse immer mehr im Vordergrund der Forschung. Zur Steigerung der Effizienz von Gasturbinen kann die Prozesstemperatur zur Verbrennung von Treibstoff erhöht werden, um den Wirkungsgrad des Verbrennungsprozesses zu maximieren. Dabei limitiert die Schmelztemperatur der Turbinenbauteile die maximale Betriebstemperatur, weshalb seit den 1980er Jahren Wärmedämmschichten (WDSs, engl. thermal barrier coating, TBC) genutzt werden, mit denen Verbrennungsprozesse in der Turbine oberhalb ihrer Schmelztemperatur möglich gemacht werden. Die Wärmedammschicht wird auf die metallischen Bauteile in den heißen Zonen des Turbineninnenraums und der Rotorblätter aufgebracht, wodurch sich unterschiedlichste Anforderungen an das Material ergeben: chemische Kompatibilität mit der Haftvermittlerschicht und ein ähnliches thermische Ausdehnungsverhalten sowie geringe Wärmeleitfähigkeit und Resistenz gegen Sintern. Eines der meistgenutzten Materialien für WDSs ist Zirkoniumdioxid, welches mit etwa 8 Gew.‑% Yttriumoxid stabilisiert wird (8YSZ), das bis etwa 1200 °C eingesetzt werden kann.
Um eine weitere Verbesserung der Wärmedämmschichten zu erreichen, werden Materialien benötigt, welche neben einer hohen Temperaturstabilität und geringer Wärmeleitfähigkeit auch eine gute mechanische und thermozyklische Stabilität, sowie eine hohe Korrosionsresistenz aufweisen. Diese Eigenschaften werden im Rahmen zweier Projekte anhand von multikomponentigen äquimolaren Oxiden (MEOs) untersucht. Als MEOs werden hier Hochentropie-Zirkonate der allgemeinen Formel A2B2O7 verwendet. Im A-Kationenuntergitter werden dabei vier oder mehr Seltenerdmetall-Kationen in ungefähr gleicher Menge eingesetzt, welche statistisch im Kristallgitter verteilt sind. Die daraus resultierende hohe Konfigurationsentropie, kann trotz positiver Enthalpie des Materials zu einer Phasenstabilisierung bei hohen Temperaturen führen, welches den Anwendungsbereich der Materialien erweitert und neue, interessante Eigenschaften hervorruft.
Thermozyklisches Verhalten
Da eine Turbine keiner konstanten, sondern zyklischer thermischer Belastung ausgesetzt ist, muss das thermozyklische Verhalten der MEOs selbst sowie des Materialverbundes in der WDS untersucht werden. Um diese Eigenschaft von Materialien zu untersuchen, werden oft Proben in einem Ofen erhitzt, ausgelagert und abgekühlt. Nachteilig dabei ist, dass innerhalb des Materials kein Temperaturgradient erzeugt werden kann, wie er in einer realen Flugzeugturbine auftritt. Um realitätsnahe Untersuchungen zu ermöglichen, werden daher Wärmedämmschichten in Brennerversuchsständen erhitzt. Zusätzlich ist hier eine aktive Kühlung der Rückseite möglich, die in einer Flugzeugturbine ebenfalls eingesetzt wird. Alternativ kann die Probe auch mit einem Laser anstelle eines Brenners erhitzt werden. Die Methode mit einem Laser ist gegenüber einem Brennerversuchsstand vorteilhaft, da die Oberflächentemperatur präziser eingestellt und ein größerer Temperaturbereich untersucht werden kann. Weltweit sind solche Versuchsstände in öffentlichen Einrichtungen selten und vor allem Laserversuchsstände sind nicht weit verbreitet.
In diesem Projekt soll zunächst ein Laserversuchsstand aufgebaut und mit gut untersuchten Materialien validiert werden. Die WDSs sollen im Anschluss mit variierender Oberflächentemperatur und Temperaturgradienten untersucht werden.
Korrosionsbeständigkeit
Bei dem Betrieb von Flugzeugturbinen lagern sich kleine Partikel aus der Luft in der Verbrennungskammer oder auf den Rotorblättern ab. Die Partikel bestehen vor allem in sandigen Wüstengegenden oder in der Nähe eines Vulkanausbruchs zu großen Anteilen aus Calcium-, Magnesium-, Aluminium- und Siliciumoxid (CMAS). Bei hohen Temperaturen schmelzen diese Ablagerungen und durch Infiltration in die Wärmedämmschicht und chemischer Interaktion können verschiedene Schadensmechanismen auslöst werden. Durch Auflösen und erneute Kristallisation der Komponenten der Wärmedämmschicht wird die Bildung neuer Phasen vorangetrieben, welche sich aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten von der Haftvermittlerschicht lösen können. Dies kann zu irreparablen Schäden der Turbine führen, da die unterliegenden Schichten nicht mehr geschützt werden. Somit kann die Turbine aufgrund eines erheblichen Sicherheitsrisikos nicht mehr verwendet werden. Aus diesen Gründen müssen die Eigenschaften der Wärmedämmschicht so angepasst werden, dass sie auf Umwelteinflüssen standhält und auch als environmental barrier coating (EBC) fungiert.
In diesem Projekt sollen die Eigenschaften von multikomponentigen äquimolaren Oxiden hinsichtlich ihrer Korrosionsbeständigkeit gegenüber CMAS untersucht werden. Entstehende Reaktionsprodukte und Schadensmechanismen sollen identifiziert und aufgeklärt werden, um mögliche Strategien zur Korrosionsminimierung zu entwickeln.
In Kooperation beider Projekte werden zusätzlich die mechanischen Eigenschaften, wie Härte und Zähigkeit untersucht.
Dieses Projekt wird im Rahmen der NanoMatFutur Nachwuchsgruppe gefördert duch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (FKZ: 03XP0301A).
