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.

Ergebnisse

Der PEO-Prozess wurde auf die Werkstoffe Ti 6Al 4V und Ti-48Al-2Cr-2Nb "GE-Legierung" angewandt und zunächst der Einfluss von Elektrolytzusammensetzung und -konzentration untersucht. Die erzeugten Schichten wurden hinsichtlich ihrer Dicke (Wirbelstromprüfung), chemischer Zusammensetzung und Schichtstruktur (REM/EDX), Phasenzusammensetzung (XRD), mechanischer Eigenschaften (Nanoindentation) und Hochtemperatur-Auslagerung unter Laboratmosphäre getestet.

Der PEO-Prozess wird an einer unipolar pulsbaren DC-Stromquelle mit Stromdichten im Bereich von ~100 mA/cm² bis ~360 mA/cm² durchgeführt. Die elektrischen Parameter wurden so angepasst, dass gleichmäßige Scichtdicken von ~100 µm auf  dem Ti64-Substrat und 200-400 µm auf dem TiAl-Substrat ereicht wurden.

Derart konnten Tialit- (Ti₂AlO₅) als auch Mullit-/Sillimanit-basierte und Zirkonoxid-reiche Schichten mit Porositäten von 5-15 % erhalten werden. Um die jeweiilgen maximalen Betriebstemperaturen der Werkstoffe  um ca. 100 K gegenüber des aktuellen Maximums zu erhöhen, wurden Hochtemperatur-Auslagerungsversuche bei 500 °C (Ti64) und 850 °C (TiAl) durchgeführt. Die Massenzunahmeraten der beschichteten Proben im Vergleich zu unbeschichteten Substraten zeigen, dass die PEO-Schichten ihrem jeweiligen Substrat einen guten Oxidationsschutz bieten. Nanoindentation-Tests an den Querschliffen der Beschichtungen zeigen eine potenzielle Verbesserung der Verschleißfestigkeit aufgrund des höheren H/E-Verhältnisses im Vergleich zu den Substraten. Die erzielte Härte der Schichten beträgt bis zu ~14 GPa.

Das IGF-Vorhaben Nr. IGF 21392 N der Forschungsvereinigung DECHEMA e.V. 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.