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Institut für Energie- und Klimaforschung

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Herstellungsverfahren


Zurzeit kommen zwei Herstellungsverfahren in der industriellen Serienproduktion von Wärmedämmschichten zum Einsatz, das Elektronenstrahlverdampfungsverfahren (Electron Beam - Physical Vapor 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 drei Kathoden zur Erzeugung des Plasmas und zeichnen sich durch hohe Auftragsraten und gute Prozessstabilität aus.

TriplexPro-210 APS-BrennerAbbildung A1: TriplexPro-210 APS-Brenner von Oerlikon Metco im Betrieb

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 A2 zeigt ein solches Gefüge.

REM Aufnahme einer Bruchfläche einer YSZ WärmdämmschichtAbbildung A2: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer Bruchfläche einer plasmagespritzten YSZ-Wärmdämmschicht

Diese Gefügestruktur ist wichtig für die Leistungsfähigkeit der Schichtsysteme im Betrieb, da sie einen niedrigen 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.

Neben wärmedämmenden Keramikschichten 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 Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen. 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 Rauigkeit mit Ra–Werten über etwa 8 µm, da die Anbindung primär über eine mechanische Verklammerung abläuft.

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 neu entwickeltes Verfahren ist der PS-PVD-Prozess. Hierbei werden pulverförmige Ausgangsstoffe in einem Plasmabrenner verdampft und es kommt zur Abscheidung kolumnarer Schichten, die eine hervorragende Leistungsfähigkeit im thermischen Zyklierversuch zeigen.


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