Wärmedämmschichten verleihen Metallbauteilen eine „wärmeisolierende Panzerung“.
In den Bereichen Flugtriebwerke und Gasturbinen gibt es ein ewiges Ziel: höhere Turbineneintrittstemperaturen. Aus diesem Grund erforschen Materialwissenschaftler ständig Möglichkeiten, die Hochtemperaturbeständigkeit von Turbinen zu verbessern. Eine der wirksamsten Methoden besteht darin, Turbinenkomponenten mit „Schutzkleidung“-mit Beschichtungen zu überziehen, die unterschiedliche Funktionen haben, und so eine verbesserte Betriebsleistung, größere Zuverlässigkeit und eine längere Lebensdauer zu erreichen.
Wärmedämmschichten in einem Flugzeugtriebwerk (GP7200) und die Querschnittsmorphologie eines typischen Wärmedämmschichtsystems
Heutzutage sind Wärmedämmschichten eine wichtige unterstützende Technologie, um die Einsatzgrenzen metallischer Werkstoffe zu durchbrechen.
Wärmedämmschichten (TBCs) sind eine Art Isolierbeschichtung, die strukturelle Leistung und funktionelle Eigenschaften kombiniert. Sie haben einen mehrschichtigen Aufbau wie ein „Sandwich“, bestehend aus einer keramischen Wärmedämmschicht, einer metallischen Haftschicht und einem Superlegierungssubstrat. Unter diesen ist die keramische Deckschicht die Kernfunktionsschicht der Wärmedämmschicht, die direkt dem thermischen Schock, der Erosion und der chemischen Korrosion von Hochtemperaturgas ausgesetzt ist. Die Materialauswahl und der konstruktive Aufbau dieser Schicht bestimmen unmittelbar die Wärmedämmwirkung und Lebensdauer der Beschichtung.
Aufbau einer Wärmedämmschicht
Materialien auf Zirkonium-basis sind das bevorzugte Material für die Keramikschicht von Hochtemperatur-Wärmedämmschichten.
Da Materialien auf Zirkoniumbasis eine hervorragende Wärmedämmleistung, Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen, Korrosionsbeständigkeit bei hohen Temperaturen und eine relativ hohe Festigkeit aufweisen, sind sie zum bevorzugten Material für die Keramikschicht von Wärmedämmschichten für hohe Temperaturen geworden.
Der erste Schritt in der Entwicklung von Wärmedämmschichten auf Zirkonium--Basis war die direkte Verwendung von Zirkoniumoxid (ZrO2) als keramisches Schichtmaterial. Die schnelle Phasenumwandlung von ZrO2 beim Erhitzen begrenzt seine Betriebstemperatur, was zu einer relativ kurzen Lebensdauer der Wärmedämmschicht führt. Die zweite Stufe bestand in der Verwendung von teilweise stabilisierten ZrO2 (YSZ)-Keramikschichten mit 6 bis 8 Gew.-% Y2O3. Die Dotierung mit dem Seltenerdoxid Y2O3 erhöhte die Phasenumwandlungstemperatur von ZrO2, verbesserte die Hochtemperatur-Phasenstabilität des Keramiksystems und YSZ ist nach wie vor das weltweit am häufigsten verwendete Wärmedämmschicht-Keramikmaterial.
Da jedoch die Betriebstemperaturen allmählich ansteigen, weist das YSZ-System allmählich seine Grenzen hinsichtlich der Phasenstabilität, der Sinterbeständigkeit und der Ermüdungsleistung bei thermischen Zyklen auf. Insbesondere in Umgebungen mit hohen Temperaturen über 1200 Grad neigt YSZ zur Phasenumwandlung, was zu struktureller Versprödung und Beschichtungsversagen führt. Um diese Probleme zu lösen, haben Forscher begonnen, neue keramische Materialsysteme zu erforschen.
Zirkonium-basierte Pulver: die erste Hürde für den „wärme-isolierenden Panzer“ von Wärmedämmschichten.
Bei Anwendungen mit Wärmedämmbeschichtungen zeigen Beschichtungen, die aus „Nano-Zirkoniumoxidpulvern und hohlen kugelförmigen Zirkoniumoxidpulvern“ hergestellt werden, eine bessere Leistung als herkömmliche mikrostrukturierte Beschichtungen.
Aufgrund ihrer „einzigartigen Mikrostruktur“ weisen nanostrukturierte Wärmedämmschichten in der Regel eine höhere Sinterbeständigkeit und eine bessere Dehnungstoleranz auf, wodurch sich die Lebensdauer der Beschichtung deutlich verbessert. Wärmedämmschichten mit Hohlkugelstruktur können aufgrund ihrer „porösen Eigenschaften“ die Wärmeleitfähigkeit der Beschichtung effektiv reduzieren und für eine bessere Wärmedämmung sorgen, während sie gleichzeitig eine bessere Stabilität und andere Eigenschaften aufweisen. Die Eigenschaften des Ausgangspulvers Zirkonoxid haben entscheidenden Einfluss auf die Beschichtungsleistung. Daher ist die Optimierung bestehender Pulverherstellungsprozesse oder die Erforschung besserer Verfahren und die Entwicklung neuer Pulvertypen mit besserer Leistung ein wichtiger Weg zur Verbesserung der Leistung von Wärmedämmschichten und zur Erfüllung der Anforderungen fortschrittlicher und anspruchsvoller Bereiche.
Zu den Herstellungsmethoden für Pulver, die in Hochtemperatur-Wärmedämmschichten auf Zirkonium--Basis verwendet werden, gehören Dampfabscheidung, Salzschmelzemethode, Sol{2}gelmethode, homogene Fällungsmethode, hydrothermale Methode, Templatmethode und andere. Darunter besonders hervorzuheben ist die „hydrothermale Methode“, als chemische Herstellungsmethode mit großem Entwicklungspotenzial, die herausragende Vorteile bei der Herstellung reiner/dotierter Nano-Zirkonoxid-Pulver zeigt. Die Schablonenmethode kann den Durchmesser und die Wandstärke von Hohlkugeln durch die Auswahl von Schablonen unterschiedlicher Größe präzise steuern und ist ein wirksames Mittel zur kontrollierbaren Herstellung von Hohlkugelstrukturen. Die Sprühpyrolyse eignet sich besser für die Produktion im großen Maßstab, da durch die Zerstäubungs-, Trocknungs- und Pyrolyseprozesse einer vorläufergesteuerten Flüssigkeit in einem Schritt hohle kugelförmige Strukturen gebildet werden.
Vergleich der wichtigsten Herstellungstechnologien für Pulvermaterialien auf Basis von Zirkonium-
Einführung seltener Erden zur Entwicklung neuer wärmedämmender Keramikschichten auf Basis von Zirkonium-.
Einerseits kann die Verbesserung bestehender Wärmedämmschichtmaterialien bei gleichzeitiger Dotierung mit mehreren Seltenerdoxiden -Ytterbiumoxid, Scandiumoxid, Gadoliniumoxid, Ceroxid- völlig unterschiedliche Effekte hervorrufen.
Andererseits ist auch die Entwicklung neuer Verbundpulver auf Zirkonium--Basis (z. B. Verbundsysteme aus Zirkoniumoxid und Salzen seltener Erden) zu einer wichtigen Forschungsrichtung geworden.
Im Vergleich zu YSZ weisen Seltenerd-Zirkonat-Materialien (RE2Zr2O7) eine geringere Wärmeleitfähigkeit, eine höhere Phasenstabilität und eine bessere Sinterbeständigkeit auf, was sie zu zentralen Kandidaten für die nächste Generation von TBC-Keramikmaterialien macht. Studien zeigen, dass die hervorragenden Eigenschaften von Seltenerdzirkonaten die Thermoschockbeständigkeit und die Temperaturwechselbeständigkeit von Beschichtungen deutlich verbessern können. Beispielsweise kann in der doppelschichtigen Beschichtungsstruktur von La2Zr2O7 und 8YSZ das äußere La2Zr2O7-Material die Wärmeleitfähigkeit erheblich reduzieren und die Anzahl der Thermoschocks und die Lebensdauer der thermischen Oxidation erhöhen, was den synergistischen Vorteil einer „niedrigen Wärmeleitfähigkeit -hohen Stabilität“ demonstriert.
Darüber hinaus haben sich in den letzten Jahren Seltenerd-Tantalate (RE2Ta2O7) und Seltenerd-Niobate (RE2Nb2O7) als Materialien mit extrem niedriger Wärmeleitfähigkeit und ausgezeichneter thermischer Stabilität zu neuen Forschungsschwerpunkten entwickelt. Aufgrund ihrer geringen Zähigkeit ist ihre Anwendung als Beschichtungsmaterial begrenzt. Die aktuelle Forschung konzentriert sich hauptsächlich auf die Erzielung funktionaler Komplementarität von Materialien durch mehrschichtige Verbundstrukturen oder Gradientenstrukturen.