Entwicklung von thermisch gespritzten Schichten für Anwendungen in der Luftfahrt

Das IEK-1 am Forschungszentrum Jülich beschäftigt sich seit 3 Jahrzehnten mit der Entwicklung von thermisch gespritzten Schichten für unterschiedliche Anwendungen primär in der Energietechnik und auch in der Luftfahrt. Der weltweit einmalige Anlagenpark gepaart mit einer umfangreichen Expertise der Mitarbeiter steht im Rahmen des Jülicher Thermal Spray Centers (JTSC) auch externen Nutzern zur Verfügung.

Ein Schwerpunkt der Entwicklung liegt im Bereich der Beschichtungen für hohe und höchste Anwendungstemperaturen. Dabei spielten von Beginn an besonders die Wärmedämmschichten für den Einsatz in Gasturbinen eine wichtige Rolle. In der Vergangenheit wurden dabei die konventionellen Wärmedämmschichten auf Yttriumoxid teilstabilisiertem Zirkonoxid (YSZ) sowie auch neue sogenannten Doppellagensysteme weiter entwickelt, um damit eine Verbesserung der Effizienz der Gasturbinen zu erreichen. Neben dem Einsatz in der Energietechnik, wo zur Zeit besonders Beschichtungen für lastflexible Anlagen mit den erhöhten Anforderungen an die Zyklierbeständigkeit, entwickelt werden, spielten auch immer schon solche Schichten für Fluggasturbinen eine wichtige Rolle. Zusammen mit Rolls Royce Deutschland werden z.B. Beschichtungsverfahren für Wärmedämmschichten entwickelt, die die Beschichtung von additiv gefertigten Komponenten ohne das Zusetzen von innovativen Kühlluftstrukturen ermöglichen. Dazu kommen neuartige Beschichtungsprozesse wie das Suspensionsplasmaspritzen (SPS)) oder das Plasma Spray – PVD (PS-PVD) – Verfahren zum Einsatz.

Zwei weitere Projekte mit Rolls-Royce beschäftigen sich mit der Verbesserung von Einlaufschichten. Diese Schichten reduzieren den Dichtspalt zwischen den Schaufeln und dem Gehäuse und können den Wirkungsgrad deutlich steigern. Am IEK-1 werden dabei sowohl Schichten für den Kompressor als auch für die Hochdruckturbine untersucht. Für die Hochdruckturbine wurden in der Vergangenheit schon exzellente Schichtsysteme entwickelt. Im neuen Projekt sollen die Schichten weiterentwickelt werden, um den Anwendungsbereich zu erweitern. Wesentlich für die Entwicklung sind auch die besonderen Teststände, die am IEK-1 zur thermomechanischen Belastung zur Verfügung stehen. Wesentlich für die Entwicklung sind auch die besonderen Teststände, die am IEK-1 zur thermomechanischen Belastung zur Verfügung stehen. Zunehmend spielt dabei auch der sogenannte CMAS (Ca-Mg-Al-Si-Oxid) – Angriff, bekannt von den Problemen bei Vulkanausbrüchen, eine Rolle. Dieser Angriff kann realitätsnah in den Testständen simuliert werden. In einer Reihe von Projekten werden diese Testständen von Unternehmen der Luftfahrtbranche genutzt.

Wärmedämmschichtsysteme werden typischerweise auf Nickelbasis-Superlegierungen eingesetzt. In den vergangenen Jahrzehnten wurden nun verstärkt neue Werkstoffe mit sogar höherer Temperaturbeständigkeit auf der Basis von keramischen Faserverbundwerkstoffen entwickelt. Von besonderem Interesse sind dabei SiC/SiC Werkstoffe. Auch diese Materialien benötigen beim Einsatz in Gasturbinen eine Schutzschicht, im Englischen als Environmental Barrier Coating (EBC) bezeichnet. Solche beschichteten Werkstoffe werden mittlerweile in kommerziellen Fluggasturbinen eingesetzt. Solche Schichten, z.B. auf Basis von Seltenerdsilikaten, entwickelt das IEK-1 auch bereits seit einigen Jahren. Ein Ziel ist dabei, die Schichten möglichst dicht und in kristalliner Form abzuscheiden. Solche Schichten konnten durch verschiedene thermische Spritzverfahren realisiert werde. Auch in einem Projekt mit einem Fluggasturbinenhersteller wurden am IEK-1 dichte und kristalline Schutzschichten hergestellt und es konnte gezeigt werden, dass mit den entwickelten Prozessparametern auch Komponenten beschichtet werden können. Auch ein nationales Luftfahrtforschungsinstitut nutzt die vorhandene Expertise im IEK-1 zur Herstellung von EBCs, es wurden dabei Schutzschichtsysteme für SiC/SiC-Werkstoffe für weitere Tests im Rahmen eines Industrieprojektes geliefert.

Neben den keramischen Spritzschichten beschäftigt sich das Institut auch intensiv mit metallischen Beschichtungen. Dabei kommen seit vielen Jahren das Vakuumplasmaspritzen (VPS) und das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (High Velocity Oxygen Fuel – HVOF) zur Herstellung von Korrosions- und Oxidationsschichten primär auf Basis von NiCoCrAlY zum Einsatz. Daneben wird das thermische Spritzen auch als attraktives Reparaturverfahren für geschädigte Bauteile aus Superlegierungen eingesetzt. Von besonderem Interesse ist dabei das Kaltgasspritzen (Cold Gas Spraying – CGS), ein Prozess, bei dem die Partikel nicht aufgeschmolzen werden sondern aufgrund ihrer kinetischen Energie beim Aufprall ein dichte, qualitativ hochwertige Schicht ausbilden. Unter der Leitung von Lufthansa Technik wurden neuartige Triebwerksreparaturverfahren entwickelt, bei denen Kaltgasspritzen und Vakuumplasmaspritzen für Titanaluminide und Nickelbasissuperlegierungen genutzt wurden. In einem Projekt mit Lufthansa Technik und Rolls Royce Deutschland wird zur Zeit das Kaltgasspritzen zur Reparatur von IN718 Bauteilen aus der Luftfahrt benutzt. Weitere Arbeiten zur Reparatur von Superlegierunjgen laufen in dem Sonderforschungsbereich TR103 mit der Ruhr Universität Bochum, in dem neben dem Kaltgasspritzen auch HVAF (High Velocity Air Spraying) und VPS zur Reparatur von CMSX4 Bauteilen eingesetzt wird. Beim letzten Verfahren wird speziell untersucht, ob auch die Wiederherstellung des einkristallinen Gefüges mit einer speziellen Wärmebehandlung möglich ist.