Entwicklung von Wärmedämmschichten auf Titan und Titanaluminiden durch Plasma-elektrolytische Oxidation

Problemstellung und Ziele des Projektes

Um den Kerosinverbrauch von Flugzeugen und die einhergehenden CO₂-Emissionen zu reduzieren, wird der thermische Wirkungsgrad von Flugzeugturbinen gesteigert, indem die Gaseinlasstemperaturen erhöht werden. Die hohen Temperaturen überschreiten jedoch den Einsatzbereich der verwendeten metallischen Werkstoffe, weshalb kritische Komponenten wie beispielsweise Brennkammer oder Turbinenschaufeln mit einer porösen keramischen Zirkoniumoxid-Schicht zur Wärmedämmung versehen werden. Diese Wärmedämmschichten werden oft sehr aufwendig und kostenintensiv über Elektronenstrahlverdampfung bzw. atmosphärisches Plasmaspritzen aufgebracht.

Ziel dieses IGF-AiF-Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines wirtschaftlich attraktiven Wärmedämmschichtsystems für in Gasturbinen eingesetzte Titanwerkstoffe mittels plasma-elektrolytischer Oxidation (PEO). Bei diesem oberflächentechnischen Verfahren wird durch das Anlegen einer Hochspannung zwischen einem Werkstück (Anode) und einer Kathode in einem wässrigen Elektrolyten eine oxidkeramische Konversionsschicht erzeugt.

Dabei soll die inhärente Struktur der ausgebildeten feinkörnigen kristallinen und porösen PEO-Keramik dazu ausgenutzt werden, eine effektive Wärmedämmung mit geringen Wärmeleitwerten <1 Wm^-1K^-1 bei gleichzeitig guter Haftung zum Substrat zu generieren.

Zur Erreichung des Projektziels sollen geeignete ZrO₂-haltige Elektrolyte verwendet und ein angepasstes PEO-Verfahren bei niedrigen und hohen Frequenzen bzw. Tastverhältnissen entwickelt werden.
Durch die vielseitigen Eigenschaften der entwickelten PEO-Beschichtung sollen Zeit und Kosten bei der Beschichtung von Turbinenkomponenten eingespart sowie ein neuer Absatzmarkt für kleine und mittelständische Unternehmen aus dem Bereich der Oberflächentechnik erschlossen werden.

Das IGF-Vorhaben Nr. IGF 21392 N der Forschungsvereinigung DECHEMA e.V., Theodor-Heuss-Allee 25, 60486 Frankfurt am Main wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.