Oxidationsschutz für neuartige Hochtemperatur-Leichtbauwerkstoffe durch Ionenimplantation

Intermetallische Verbindungen auf TiAl-Basis stellen eine interessante, neue Materialgruppe für Hochtemperaturanwendungen dar. Ihre Dichte beträgt im Vergleich zu den bei hohen Temperaturen gewöhnlich benutzten Fe- oder Ni-Superlegierungen nur die Hälfte. Der Einsatz dieser Materialien würde daher eine Verbesserung des Wirkungsgrades von z.B. Turbinen bewirken. TiAl-Werkstoffe werden zur Zeit jedoch noch kaum eingesetzt, da deren Oxidationswiderstand bei Temperaturen oberhalb von 750 °C noch zu gering ist. Die Verbesserung dieses Widerstandes ist Gegenstand des hier vorgestellten Projektes. Der Oxidationswiderstand von TiAl-Legierungen kann durch die Implantation von geringen Mengen an Halogenen verbessert werden (man spricht von einem Mikrolegierungs-Effekt). Proben, die mit Chlor implantiert wurden, zeigen ein wesentlich besseres Oxidationsverhalten als unbehandeltes TiAl. In diesem Kooperationsprojekt findet die Ionenimplantation am Forschungszentrum Rossendorf, Dresden, statt, und die Untersuchungen dieser Proben werden am KWI der DECHEMA e.V., Frankfurt am Main, durchgeführt, z.B. thermogravimetrische Messungen. Der beobachtete Halogeneffekt wurde durch die Beamline-Implantations-Technik erreicht, doch ist diese für einen industriellen Einsatz nur bedingt geeignet. Daher wurde eine kostengünstigere PI³-Technik-Anlage (Plasma-Immersion-Ionen-Implantation) aufgebaut und erprobt. Bei dieser Technik werden niedrigere Energien benötigt, und die Implantation unterschiedlicher komplexer Proben ist möglich, was dem späteren Einsatz dieser Werkstoffe näher kommt. Die Ergebnisse mit dieser Technik zeigen auch ein verbessertes Oxidationsverhalten. Der positive Effekt wird durch die Bildung einer schützenden Aluminiumoxidschicht bewirkt. Eine Übernahme der Ergebnisse durch Industrie ist geplant. Das Projekt wird daher von diversen Firmen begleitet und z.B. durch die Überlassung von Probenmaterial unterstützt.

Das IGF-Vorhaben Nr. 176 ZBG 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.