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Werkstoffe, die Temperaturen bis 1500°C standhalten: Was ist die Geheimzutat von Wärmedämmschichten?
Mit der Weiterentwicklung der Luft- und Raumfahrt- und Energietechnologien sind Wärmedämmschichte (TBCs) zu einem wichtigen Bereich der Hochtemperatur-Materialwissenschaft geworden. Diese Materialsysteme werden häufig auf Metalloberflächen aufgetragen, insbesondere auf Komponenten, die in Umgebungen mit hohen Temperaturen betrieben werden, wie etwa Brennkammern und Turbinen in Gasturbinen. Ihre Dicke kann zwischen 100 Mikrometer und 2 Millimeter liegen und als gute Wärmedämmstoffe verlängern sie effektiv die Lebensdauer von Bauteilen und erhöhen deren Hitzebeständigkeit.
Die Hauptfunktion einer Wärmedämmschicht besteht darin, das Metallsubstrat zu isolieren, damit es unter extremen thermischen Belastungen betrieben werden kann und so die Betriebstemperaturen maximiert werden, ohne die darunterliegende Struktur zu beschädigen.
Wärmedämmschichtbeschichtungen sind in der Lage, einen erheblichen Temperaturunterschied zwischen dem Bauteil und der beschichteten Oberfläche aufrechtzuerhalten. Dadurch können sie in Umgebungen mit steigenden Betriebstemperaturen eingesetzt werden, ohne dass die Strukturkomponenten einer übermäßigen thermischen Belastung ausgesetzt werden. Dadurch werden die Auswirkungen von Oxidation und thermischer Ermüdung verringert und die Lebensdauer der Komponenten verlängert. Da die Nachfrage nach effizienteren Motoren, die bei höheren Temperaturen betrieben werden können, steigt, verschieben sich auch die Materialanforderungen für TBCs in Richtung höherer Schmelzpunkte, geringerer Wärmeleitfähigkeit und besserer Oxidationsbeständigkeit.
Aufbau und Materialeigenschaften von Wärmedämmschichten
Wärmedämmschichten auf Basis keramischer Werkstoffe bestehen üblicherweise aus vier Schichten: Metallsubstrat, Metallhaftschicht, thermisch gewachsene Oxidschicht (TGO) und keramische Deckschicht. Derzeit wird stabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) häufig als keramische Oberflächenschicht verwendet. Es weist eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit auf, erfährt jedoch bei Temperaturen über 1200 °C Phasenänderungen, die Risse verursachen. Bei der Entwicklung von YSZ-basierten Materialien wurden neuartige Seltenerdzirkonate als Alternativen untersucht. Sie zeigen bei Temperaturen über 1200 °C eine gute Leistung, ihre Rissbeständigkeit ist jedoch gering.
Risiken und Chancen bestehen nebeneinander. In der Vergangenheit wurden viele neue keramische Materialien entwickelt, die bei extrem hohen Temperaturen eingesetzt werden können, was den Weg für die Entwicklung weiterer hocheffizienter Wärmedämmschichten in der Zukunft ebnet.
Versagensmechanismen von Wärmedämmschichten
Am Ausfallmechanismus von TBC sind viele Faktoren beteiligt, es gibt jedoch drei Schlüsselmechanismen: das Wachstum von thermisch gewachsenem Oxid (TGO), Thermoschock und Sintern der Oberflächenschicht. Durch die Bildung von TGO werden Druckspannungen verursacht, die nicht mit der Wärmeausdehnung des Substrats übereinstimmen und zur Rissbildung führen. Bei mehrfachen Heiz- und Kühlzyklen können sich diese Risse in der gesamten Beschichtung ausbreiten und schließlich zum Versagen führen. Insbesondere beim Betrieb von Flugzeugtriebwerken ist auch der Thermoschock durch häufige Start- und Herunterfahrvorgänge eine der Hauptursachen.
Bei der Entwicklung von Wärmedämmschichte muss auf die Abstimmung der Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen den Schichten geachtet werden, um die Lebensdauer zu verlängern und die Rissbildung zu verringern.
Anwendungen von Wärmedämmschichten
Wärmedämmschichte werden häufig im Automobil- und Luftfahrtbereich eingesetzt. In Kraftfahrzeugen werden sie eingesetzt, um den Wärmeverlust von Komponenten des Abgassystems des Motors zu verringern und Lärm und Hitze im Motorraum zu reduzieren. In der Luft- und Raumfahrtindustrie werden TBCs verwendet, um Superlegierungen auf Nickelbasis zu schützen und ihre Leistung in Hochtemperaturumgebungen zu verbessern. Durch die Entwicklung neuer Technologien ist es möglich, Verbundwerkstoffe mit Keramikbeschichtungen zu versehen, die das Material nicht nur schützen, sondern auch seine Verschleißfestigkeit verbessern.
Die Materialien und das Design von Wärmedämmschichtsystemen werden von Wissenschaftlern und Ingenieuren untersucht und stellen eine aktuelle Grenze der Materialwissenschaft dar. Mit dem technologischen Fortschritt ist zu erwarten, dass zahlreiche zukünftige Verbesserungen ihr Potenzial auch in extremeren Umgebungen entfalten werden. Doch können wir die perfekte Wärmedämmschicht finden, die den ständig steigenden technologischen Anforderungen und Herausforderungen gerecht wird?
