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Institut für Energie- und Klimaforschung

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Wärmedämmschichtsysteme für Gasturbinen

Wärmedämmschichtsysteme (WDS) sind ein wesentlicher Bestandteil sowohl in Stationären- als auch Flug- Gasturbinen, da nur durch diese die für einen effizienten Betrieb notwendigen hohen Brenngastemperaturen verwirklicht werden können. Der weltweit als Standard etablierte Werkstoff für WDS-Anwendungen ist das 7-8 Gew.-% Y2O3 teilstabiliserte Zirkonoxid (YSZ).


Material

YSZ verfügt für diese Anwendung über eine Reihe von herausragenden Eigenschaften wie niedrige Wärmeleitfähigkeit, hohen Ausdehnungskoeffizienten zur Reduzierung der thermischen Spannungen im Verbund mit dem metallischen Substrat und gute Bruchzähigkeit.

Herstellungsverfahren

Zur Zeit kommen zwei Herstellungsverfahren in der industriellen Serienproduktion von Wärmedämmschichten zum Einsatz, das Elektronenstrahlverdampfungsverfahren (Electron Beam - Physical Vapour Deposition, EB-PVD) und das Atmosphärische Plasmaspritzen (APS). Für die Beschichtung von stationären Gasturbinen wird fast ausschließlich das kostengünstigere APS-Verfahren eingesetzt, auf dem auch der Fokus dieses Beitrages liegt. Bei diesem Verfahren werden Pulverpartikel aus dem Schichtwerkstoff über einen Trägergasstrom in die Heißgasfackel eines Plasmabrenners eingeleitet. In dem Heißgasstrom werden die Partikel beschleunigt und bis zum Aufschmelzen aufgeheizt, Abbildung A1 zeigt einen sogenannten Triplex-Plasmabrenner im Betrieb. Diese Brenner verfügen über 3 Kathoden zur Erzeugung des Plasmas und zeichnen sich durch hohe Auftragsraten und gute Prozessstabilität aus. Die heißen, flüssigen und beschleunigten Partikel treffen dann auf das Substrat. Dabei verformen sie sich und kühlen schnell ab. Es entsteht ein lamellenartiges Gefüge, das typischerweise durchsetzt ist mit Poren und Mikrorissen. Die Abbildung zeigt ein solches Gefüge.

Diese Gefügestruktur ist wichtig für die Leistungsfähigkeit der Schichtsysteme im Betrieb, da sie ein niedriges Elastizitätsmodul mit entsprechend niedrigen Spannungen zur Folge hat und eine gute Dehnungstoleranz durch ein Öffnen der Risse und ein Abgleiten von einzelnen Spritzlamellen ermöglicht. Die gute Dehnungstoleranz ist notwendig, da aufgrund des Unterschiedes in der thermischen Ausdehnung zwischen Substrat und WDS beim Aufheizen und Abkühlen thermische Spannungen entstehen. Zusätzlich reduzieren die vielen Mikrorisse auch die Wärmeleitfähigkeit und verbessern damit die thermische Isolationswirkung der Schichten.

Zusätzlich zu wärmedämmenden Keramikschicht besteht ein Wärmdämmschichtsystem noch aus einer metallischen Zwischenlage, der sogenannten Haftvermittlerschicht. Wie der Name nahelegt verbessert diese Schicht die Anbindung zwischen dem metallischen Substrat und der keramischen Deckschicht. Zusätzlich schützt sie die Substrate vor Oxidation und Korrosion durch die heißen Brenngase. Dies ist notwendig, da die Deckschichten porös und gasdurchlässig sind. Im Falle der atmosphärisch gespritzten Wärmedämmschichten verwendet man als Haftvermittlerschicht meist MCrAlY-Legierungen, wobei M für Ni oder Co steht. Hergestellt werden die Schichten über verschiedene thermische Spritzverfahren, wie das Vakuumplasmaspritzen oder das Hochgesschwindigkeitsflammspritzen. Die Schichten bilden im Betrieb eine dichte Deckschicht aus Aluminiumoxid aus, die die weitere Oxidation des Werkstoffs deutlich verlangsamt. Wichtig für eine gute Anbindung der Wärmedämmschicht an die Haftvermittlerschicht ist eine hohe Rauhigkeit mit Ra – Werten über etwa 8 µm, da die Anbindung primär über eine mechanische Verklammerung abläuft.

TriplexPro 200 APS-Brenner von Sulzer MetcoEin TriplexPro 200 APS-Brenner von Sulzer Metco im Betrieb

Neben der segmentierten Struktur für die keramische Decklage gibt es auch weitere Ansätze, die Leistungsfähigkeit von Wärmedämmschichten zu steigern. So gelingt es z.B. durch spezielle Herstellungsbedingungen, relativ dichte Schichten abzuscheiden, die mit einer hohen Anzahl von Segmentierungsrissen durchsetzt sind. Belastet man eine solche Schicht auf Zug, wie es z.B. beim Aufheizen in der Turbine geschieht, können sich die Segmentierungsrisse öffnen.

Damit kann der Aufbau hoher Spannungen in der Schicht und damit eine Schädigung vermieden werden. Zusätzlich zu dieser Weiterentwicklung der APS-Technologie befinden sich auch neue Verfahren in der Erprobung. Besonders interessant ist dabei das Suspensions-Plasmaspritzen, bei dem anstelle von pulverförmigen Ausgangsstoffen Suspensionen in die Plasmafackel eingeleitet werden. Mit diesem Verfahren ist die Einstellung hoher Segmentierungsrissdichten über 10 /mm bei gleichzeitiger niedriger Wärmeleitfähigkeit möglich. Ein weiteres in der Entwicklung befindliches Verfahren ist der LPPS-PVD-Prozess. Hierbei werden pulverförmige Ausgangsstoffe in einem Plasmabrenner verdampft und es kommt zur Abscheidung stengelkristalliner Schichten, die eine hervorragende Leistungsfähigkeit im Zyklierversuch zeigen.

Neben der Entwicklung extrem leistungsfähiger Schichten aus YSZ liegt ein weiterer Schwerpunkt der Arbeiten am IEK-1 des Forschungszentrums Jülich in der Entwicklung neuer Wärmedämmschichtmaterialien. Dies ist notwendig aufgrund der limitierten Temperaturstabilität des YSZ. Ein Langzeiteinsatz ist auf Temperaturen von etwa 1200°C begrenzt, da bei höheren Temperaturen Phasenumwandlungen und eine verstärkte Verdichtung der Schichten eintritt. Von besonderem Interesse sind dabei Pyrochlore wie das Gd2Zr2O7, Perowskite wie SrZrO3 oder (Hexa-)Aluminate.

Aufgrund der relativ niedrigen Bruch-Zähigkeit der neuen WDS-Materialien setzt man meist die in Jülich entwickelten Doppellagensysteme ein, bei denen auf dem Bondcoat erst eine Schicht aus dem zähen YSZ und obenauf die neue Keramik abgeschieden wird. Siehe Abbildung.

Besonders die aus Pyrochloren aufgebauten Schichten zeigen ein exzellentes Verhalten bei zyklischer thermischer Belastung z.B. in einem Gasbrennerteststand.








Beschichtung von Turbinenkomponenten

In heutigen fossilen Kraftwerken wird elektrische Leistung durch Turbinen erzeugt. Diese Turbinen wandeln während der Volumenexpansion eines erhitzten Gases die Wärme in Bewegungsenergie (Rotation des Turbinenrads) um. Aus der Energie der Rotation wird mit einem Generators elektrische Energie ezeugt. Aufgrund sehr grundlegender physikalischer Gesetze ist eine hohe Temperatur des Gases für eine hohe Effizienz der Energieumwandlung entscheidend. Oberhalb von etwa 600 °C müssen die inneren Komponenten der Turbine  - üblicherweise Metalle - vor der Temperatur geschützt werden, weil sie diesen Bedingungen nicht dauerhaft standhalten.  Dies kann durch Beschichtung der Turbinenkomponenten mit Keramik geschehen.

In Institut für Energieforschung (IEK-1) wird das thermische Spritzen als leistungsfähiges und ökonomisches Beschichtungsverfahren für Kraftwerkskomponenten erforscht. Neben der Beschichtungstechnik ist die Erforschung und Entwicklung verbesserter Werkstoffe zur Beschichtung zentrales Arbeitsthema.        

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