Materialien und Korrosion

Die Forderung nach umwelt- und ressourcenschonenden Verfahren sowie nach höheren Wirkungsgraden bei thermischen Anlagen und Maschinen erfordert die Steigerung der Betriebstemperaturen. Die hohen Temperaturen, oft in Kombination mit komplexen Prozessatmosphären, stellen extreme Ansprüche an die eingesetzten Materialien im Hinblick auf Resistenz gegen Hochtemperaturkorrosion. Werkstoffuntersuchungen und Entwicklungen für aggressive Hochtemperaturatmosphären prägen die Forschungsaktivitäten des Teams "Hochtemperaturkorrosion". In diesem Forschungsbereich werden metallische und keramische Werkstoff- und Schutzschichtlösungen entwickelt, die in extremen Bedingungen (z.B. Atmosphären mit Chlor, Schwefel, Brom, Vanadium, Kohlenstoffverbindungen) und Temperaturen bis zu 1800 °C eingesetzt werden können. Zudem beschäftigt sich das Team mit der Konzeptionalisierung, Entwicklung und Herstellung neuer Legierungssysteme, die aggressivere Bedingungen aushalten.

Forschungsschwerpunkte

• Diffusionsschichten: Modifzierung von Werkstoffoberflächen durch die Anreicherung von Elementen, um das Grundmaterial bei hohen Temperaturen zu schützen.
  Verfahren: Packzementierung (In-pack, Out-of-pack, Slurry).
  Beispiele: Schutzschichtsysteme zur Erhöhung der Oxidationsbeständigkeit von Werkstoffen in wasserdampfhaltigen Hochtemperaturatmosphären wie Verbrennungs- oder Vergasungsatmosphären, slurrybasierte Beschichtungen zur Applikation vor Ort in Anlagen oder auf Anlagenteilen.

• Beschichtungs- und Lebensdauermodellierung: Vorhersagen zum Werkstoffverhalten bei Herstellungsprozessen und während des Einsatzes bei hohen Temperaturen.
  Beispiele: Vorhersage des Schichtwachstums und der Phasenentstehung während des Prozesses der "Packzementierung", Modellierung des Einflusses der Defektstruktur auf die Mechanik von "Thermal barrier Coatings" und gewachsenen Oxidschichten.

• Funktionale Hochtemperaturschichten: Kombination von Korrosionsschutzschichten mit erweiterten Eigenschaften wie anti-adhäsiven Oberflächen, Wärmedämmung oder verbesserter Aerodynamik.
  Beispiele: selbstheilende Haifischhaut auf Turbinenschaufeln, keramische Hohlkugel-Wärmedämmschichtkonzepte.

• "Minimal-invasiver" Hochtemperatur-Korrosionsschutz: Gezielte Veränderung der chemischen Zusammensetzung an der Oberfläche zur Verbesserung des Korrosionsverhaltens bei hohen Temperaturen.
  Beispiele: Halogeneffekt zur Bildung stabiler und schützender Aluminiumoxidschichten, Sn-Modifizierung der Oberfläche zur katalytischen Vergiftung in Metal-Dusting-Umgebungen, selektive Beschichtungsdotierung zur Beeinflussung der Chlorkorrosion.

Methoden

• Isotherme, zyklische und thermogravimetrische Messungen in unterschiedlichen Atmosphären
• Umfangreiche Analytik zur Untersuchung von metallischen Phasen, Legierungszusammensetzungen, Oxidschichten und Reaktionsprodukten
• Packzementierungsverfahren, Slurry-Beschichtungen

Der Übergang zur Kohlenstoff-neutralen Wirtschaft erfordert höhere Effizienz grüner Technologien und verstärkt daher die Anforderungen an Werkstoffe, höhere Betriebstemperaturen zu erreichen und aggressivere Bedingungen zu überstehen. Betriebe der Luft- und Raumfahrt, Mobilität sowie Prozessindustrie und Energiebereitstellung, unter anderen, benötigen dringend Legierungen, die hohe Temperaturen und extreme (HX) Bedingungen aushalten. Das Team „Hochtemperaturlegierungen“ am DECHEMA-Forschungsinstitut entwirft, entwickelt und produziert solche Legierungen und Beschichtungen. Wir optimieren die Oxidations- und Korrosionsresistenz von Legierungen zusätzlich zu ihren mechanischen Eigenschaften und untersuchen ihre Mikrostruktur sowie die Einflüsse von Wärmebehandlung und Verarbeitung (additive Fertigung, AM).

Forschungsschwerpunkte

• Entwicklung und Untersuchung von Hochtemperaturlegierungen der nächsten Generation:
  Nickelbasis- und Eisenbasis-Legierungen, Refraktärmetalllegierungen (Cr, Mo), Titanlegierungen, multiple principal element (MPEA)- und high entropy (HEA)-Legierungen
• Verbesserung der additiven Fertigbarkeit aktueller state-of-the-art-Legierungen:
  Additiv gefertigte Nickelbasiswerkstoffe, Aluminiumbasiswerkstoffe und MPEAs/HEAs
• Entwicklung von Schutzschichten speziell für neuartige Legierungssysteme:
  Packzementierung und Schlickerbeschichtung mit Al, Si, Cr und mehr auf neuartigen Legierungen

Methoden

• Herstellung von maßgeschneiderten Legierungszusammensetzungen im Lichtbogenschmelzofen
• Wärmebehandlung, Gefügeentwicklung und -optimierung bis zu 1800°C
• Isotherme, zyklische und thermogravimetrische Messungen unter extremen Bedingungen
• Umfangreiche Analytik zur Untersuchung von metallischen Phasen, Legierungszusammensetzungen, Oxidschichten und Reaktionsprodukten
• Packzementierungsverfahren, Slurry-Beschichtungen

Das Forschungsteam widmet sich einerseits der mechanistischen Untersuchung von Korrosionsprozessen an neuen Werkstoffen und in verschiedenen Technologien sowie andererseits dem Korrosionsschutz durch Beschichtungen und Überzüge. In beiden Feldern spielen Leichtbauwerkstoffe (Aluminium, Magnesium, Titan sowie hochfeste Stähle) eine besondere Rolle. Weiterhin werden aktuelle Fragestellungen im Bereich des Kathodischen Korrosionsschutzes betrachtet. Zu den vermehrt profitierenden Branchen zählen die Automobilindustrie, die Luftfahrtindustrie, die Medizintechnik, der Fassadenbau und der Rohrleitungsbau.

Darüber hinaus übernimmt das Forschungsteam im Rahmen des DECHEMA-Korrosionszentrums Korrosionsuntersuchungen, Aufgaben der Werkstoffauswahl sowie Schadensuntersuchungen.

Forschungsschwerpunkte

• Entwicklung anorganischer Schichtsysteme über Anodisierverfahren, Ultraschall und Verwendung von Nanopartikeln und Nanokapseln (siehe Projekte PhotoEloxal, MagPEO2, PEO-TBC, AlUlIMP)
• Antimikrobielle Oberflächen und Biokorrosion (siehe Projekt Antimikrobielle Peptide)
• Mechanistische Korrosionsuntersuchungen und Modellbildung (siehe Projekte AC-Korrosion, Al-Schleifen, SLM-Titan)

Als spezifische Messmethoden werden verwandt:

Elektrochemische Messmethoden

• stationäre Stromdichte-Potential-Kurven
• Elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS)
• Rotierende Scheibe/Zylinder und Ring-Scheiben-Elektroden
• Wasserstoff-Permeationsmessungen
• Raster-Kelvinsonde (SKP) / Kelvinsonden-Kraftmikroskopie (SKPFM)

Werkstoffkundliche Charakterisierungsmethoden

• Rasterelektronenmikroskopie (REM) mit EDX
• Elektronenstrahlmikroanalyse (ESMA) mit WDX
• Röntgendiffraktometrie (XRD)
• Rasterkraftmikroskopie (AFM, EC-AFM, siehe Bild oben)
• Tribometrie / Tribokorrosion
• Kontaktwinkelmessung
• Adhäsionsprüfung

Spektroskopische/Analytische Methoden

• Konfokale Raman-Mikroskopie
• FT-IR-Spektroskopie
• Partikelgrößenbestimmung und Zetapotentialmessung
• Instrumentelle chemische Analytik (AAS, GC-MS, IC, ICP-MS)

Neue Materialien, die bei hohen Temperaturen in aggressiven Atmosphären über lange Zeit stabil sind, werden für effizientere und emissionsarme Gasturbinen und Triebwerke, z.B. für Flugzeuge, benötigt. Multikomponentige äquiatomare Oxide (MEO), oder auch Hochentropie-Oxide (HEO), sind hierfür eine vielversprechende neue Materialklasse, da sie Stabilität bei hohen Temperaturen und eine niedrige Wärmeleitfähigkeit vereinen. Darüber hinaus sind HEOs durch weitere attraktive Eigenschaften, wie Ionenleitfähigkeit, reversible Lithiumspeicherung, katalytische Aktivität sowie dielektrische und magnetische Eigenschaften, eine interessante Materialklasse für die Rohstoff- und Energiewende.

Forschungsthemen der Nachwuchsgruppe

• Materialentwicklung für effiziente Energiegewinnung, -speicherung und Katalyse
• Neue Hochentropie-Oxide für Hochtemperaturanwendungen, die in aggressiven Atmosphären über lange Zeit stabil sind
• Syntheseentwicklung zur reproduzierbaren Herstellung neuer Verbindungen
• Charakterisierung der thermodynamischen, thermophysikalischen, mechanischen und Korrosionseigenschaften

Die NanoMatFutur Nachwuchsgruppe "Hochentropie-Oxide" ist in die Förderlinie "Vom Material zur Innovation" des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) integriert. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens werden in drei aufeinanderfolgenden Promotionsprojekten systematisch Hochentropie-Oxide für die Anwendung als Wärmedämmschicht (engl. Thermal Barrier Coatings (TBCs)) entwickelt und charakterisiert. Dabei werden grundlegende Eigenschaften, wie Phasenstabilität, Ausdehnungskoeffizient und Wärmeleitfähigkeit, sowie anwendungsrelevante Eigenschaften, wie thermozyklische Beständigkeit, mechanische und Korrosionseigenschaften, untersucht.

Aktuelles Projekt: Multikomponentige, äquiatomare Oxide als Hochleistungsmaterialien für zukünftige Wärmedämmschichten (MEO-TBCs)

Doktorandenprojekte der Nachwuchsgruppe "Hochentropie-Oxide"

Förderkennzeichen 03XP0301

Methoden

• 

  Synthese neuer Zusammensetzungen mit nasschemischen Methoden und Festphasensintern
• Charakterisierung der Phasen und chemischen Zusammensetzung mittels Röntgenbeugung (XRD) mit Rietveld-Verfeinerung und Mikroskopie
• Untersuchung der thermodynamischen und thermophysikalischen Eigenschaften mittels Dynamischer Differenz Kalorimetrie (DSC), Differenz Thermoanalyse (DTA), Thermogravimetrie (TG) und Dilatometrie
• Thermodynamische Modellierung und Berechnungen mit CALPHAD