Neuartige Wärmedämmschichten mit polymerabgeleiteten keramischen Zwischenschichten für kritische Komponenten in Flugzeugtriebwerken

Um die Umweltverschmutzung durch die Luftfahrt zu verringern, müssen umweltfreundlichere Technologien entwickelt werden. Dieses Ziel wird u.a. im von der europäischen Union vorgestellten „Flightpath 2050” beschrieben. Materialwissenschaftliche Ansätze hierfür beinhalten die Entwicklung von Leichtmetallen wie Titanaluminid-(TiAl-)Legierungen für Flugzeugturbinen. Durch den Einsatz dieser Werkstoffe anstelle von üblichen Ni-Basis-Superlegierungen kann deutlich Gewicht eingespart werden, wodurch Treibstoffverbrauch und Emissionen der Flugzeuge sinken.

Die Kernidee des Projektes besteht in der Anpassung des kommerziell genutzten Beschichtungssystems für Ni-Basis-Superlegierungen, bestehend aus einer Zwischenschicht (bond coat) und einer keramischen themischen Isolationsschicht (thermal barrier coating, TBC), an die leichteren TiAl-Legierungen. Durch den Einsatz von leichteren Tubinenschaufeln aus TiAl mit einer TBC werden enorme Gewichtseinsparungen und ein effizienteres Turbinendesign ermöglicht. Eine der größten Herausforderungen besteht dabei in der Beständigkeit der TiAl-Legierungen gegenüber der Oxidation bei hohen Temperaturen. Daher sind Beschichtungen nötig, um den Einsatz von TiAl-Legierungen in heißeren Bereichen der Turbine einzusetzen. In diesem Projekt wird die Verwendung einer polymerabgeleiteten keramischen Beschichtung (polymer derived ceramic, PDC) aus SiAlOC untersucht, die durch die Bildung einer dünnen Al₂O₃-Schicht bei hohen Temperaturen die Oxidationseigenschaften verbessern soll. Weiterhin soll die PDC-Schicht als „bond coat” zur TBC aus mit Yttriumoxid stabilisiertem Zirkonoxid (YSZ) dienen. Als Substrat wird die kommerzielle GE-TiAl-Legierung (Ti-48Al-2Cr-2Nb in At.-%) verwendet. Im Unterschied zu vorangegangenen Untersuchung zur Verwendung von TiAl-Legierungen für heiße Bereiche in Flugzeugturbinen wird angenommen, dass die PDC-Zwischenschicht dazu beitragen kann, die größten Herausforderungen dieser Anwendung zu lösen.

Das IGF-Vorhaben Nr. IGF 01IF00380C der Forschungsvereinigung GfKORR wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.