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Vom Flugzeugmotor bis zur Autoabgasanlage: Welche erstaunlichen Einsatzmöglichkeiten gibt es für Wärmedämmschichten?
Wärmedämmschichten (TBCs) sind fortschrittliche Materialsysteme, die üblicherweise auf Metalloberflächen aufgebracht werden, die unter Hochtemperaturbedingungen arbeiten, wie z. B. Brennkammern und Turbinen von Gasturbinentriebwerken sowie Abgaswärmemanagementsysteme in Automobilen. Diese Beschichtungen aus wärmeisolierendem Material mit einer Dicke von 100 Mikrometern bis 2 Millimetern isolieren effektiv gegen Hitze und ermöglichen es den Komponenten, trotz starker thermischer Belastungen ihre Betriebseffizienz und Haltbarkeit aufrechtzuerhalten.
Wärmedämmschichten können die Lebensdauer von Bauteilen verlängern und Oxidation und thermische Ermüdung reduzieren.
Angesichts der steigenden Nachfrage nach hocheffizienten Motoren, die bei höheren Betriebstemperaturen arbeiten und eine bessere Haltbarkeit aufweisen müssen, gibt es eine zunehmende Dynamik für die Entwicklung neuer fortschrittlicher Wärmedämmbeschichtungen. Die Materialanforderungen für Wärmedämmschichten ähneln denen für Hitzeschilde, bei letzterer Anwendung ist jedoch die Wärmeerzeugungsrate in der Regel wichtiger.
Aufbau und Anforderungen der Wärmedämmschicht
Eine wirksame Wärmedämmschicht muss bestimmte Anforderungen erfüllen, um in rauen thermomechanischen Umgebungen gut zu funktionieren. Um den thermischen Ausdehnungsspannungen beim Erhitzen und Abkühlen standzuhalten, ist eine entsprechende Porosität erforderlich, und der thermische Ausdehnungskoeffizient sollte dem der zu beschichtenden Metalloberfläche entsprechen. Darüber hinaus muss die Phasenstabilität aufrechterhalten werden, um signifikante Volumenänderungen (wie sie beispielsweise bei Phasenänderungen auftreten) zu verhindern. Wärmedämmschichten bestehen in der Regel aus vier Schichten: Metallsubstrat, Metallbindungsschicht, thermisch gewachsener Oxidschicht (TGO) und keramischer Deckschicht.
Damit eine Wärmedämmschicht lange hält, sollten die Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen allen Schichten gut aufeinander abgestimmt sein.
Fehlermechanismus
Die Versagensmechanismen von Wärmedämmschichten sind komplex und können je nach Temperaturwechselumgebung variieren. Obwohl es viele Fehlermechanismen gibt, die nicht vollständig verstanden sind, sind das Wachstum von thermisch gewachsenem Oxid (TGO), Thermoschock und Sintern der Deckschicht die drei wichtigsten Faktoren, die zum Versagen der Wärmedämmschicht führen.
Das Wachstum der TGO-Schicht ist einer der wichtigsten Gründe für das Ablösen und Versagen von TBC. Wenn TGO durch Erhitzen gebildet wird, kommt es zu einer Druckwachstumsspannung, die mit der Volumenausdehnung zusammenhängt. Beim Abkühlen kommt es aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten zu einer Gitterfehlanpassung. Diese Spannungsreihe führt schließlich zu Rissen und Abblättern der Wärmedämmschicht . .
Thermoschock ist ein primärer Fehlermechanismus, da die durch solche drastischen Temperaturänderungen verursachten Spannungen Risse in der Wärmedämmschicht verursachen können.
Außerdem erhöht sich durch das Sintern die Dichte der Deckschicht, wodurch sich Risse bilden. Es wird berichtet, dass keramische Verbundwerkstoffe auf Siliziumnitridbasis auch bei Anwendungen mit Wärmedämmbeschichtungen eine bessere Leistung als herkömmliche Zirkoniumnitridwerkstoffe zeigen.
Arten von Wärmedämmbeschichtungen
Verschiedene Wärmedämmbeschichtungsmaterialien haben unterschiedliche Eigenschaften. Einschließlich häufig verwendetes Zirkonoxid (YSZ), Erdmetallzirkonat, Stickstoff-Aluminiumoxid usw. YSZ ist das bekannteste und wird aufgrund seiner guten thermischen Stabilität und geringen Wärmeleitfähigkeit häufig in Kraftstoffmotoren verwendet. Allerdings kommt es bei YSZ bei hohen Temperaturen zu Phasenänderungen, die zu Leistungseinbußen führen.
Oxide seltener Erden (wie CeO2) und Metall-Glas-Verbundwerkstoffe haben Potenzial als alternative Materialien gezeigt.
Anwendungsfelder
Der Einsatz von Wärmedämmschichten wird in modernen Fahrzeugen immer häufiger eingesetzt, insbesondere um den Wärmeverlust in Komponenten des Abgassystems, beispielsweise Abgaskrümmern und Turboladergehäusen, zu reduzieren. Darüber hinaus ist der Einsatz solcher Beschichtungen in der Luftfahrt äußerst wichtig. Sie dienen häufig dazu, Superlegierungen auf Nickelbasis zu schützen und ihnen den Betrieb über dem Schmelzpunkt zu ermöglichen, um die Triebwerksleistung zu verbessern.
Angesichts der Nachfrage nach Kraftstoff und der Weiterentwicklung umweltfreundlicher Technologien ist die Frage, wie die Leistung von Wärmedämmschichten kontinuierlich verbessert und ein stabiler Betrieb bei höheren Temperaturen gewährleistet werden kann, eine Herausforderung, der die Industrie in Zukunft große Bedeutung beimessen wird .
Die Wärmedämmbeschichtungstechnologie hat in vielen Branchen ein breites Anwendungspotenzial gezeigt. Wie wird diese Technologie in Zukunft weiterentwickelt, um den sich ändernden Anforderungen gerecht zu werden?
