Wärmedämmschichten (TBCs) verstehen

Definition von Wärmedämmschichten

Wärmedämmschichten sind hochentwickelte Schutzschichten, die auf die kritischen Komponenten von Gasturbinentriebwerken aufgetragen werden. Diese speziellen Beschichtungssysteme dienen in erster Linie als thermische Isolatoren und schützen die Komponenten von Turbinentriebwerken vor den extremen Temperaturen und rauen Betriebsbedingungen, denen sie ausgesetzt sind.

TBCs bestehen in der Regel aus einer keramischen Beschichtung aus Yttriumoxid-stabilisiertem Zirkoniumdioxid (YSZ), die über einer oxidationsbeständigen metallischen MCrAlY-Bondschicht aufgebracht wird. Die Hauptfunktion von Wärmedämmschichten besteht darin, die Wärmeübertragung in das darunter liegende Basismaterial zu reduzieren, was zu verbesserten mechanischen Eigenschaften und einer deutlich längeren Lebensdauer der Komponenten führt.

Diese Technologie spielt eine wichtige Rolle beim Streben nach höherer Effizienz, geringeren Emissionen und verbesserter Motorleistung von Luft- und Raumfahrt- sowie Industriegasturbinen. In der Vergangenheit wurden Wärmedämmschichten im Plasmaspritzverfahren mit den Pulvern der Metco 204-Familie aus yttriumoxidstabilisiertem Zirkoniumdioxid (ZrO2 8Y2O3) für keramische Deckschichten sowie mit unserer Amdry 386-Familie von Haftschichten (NiCoCrAlSiHfY) aufgebracht.

Diese bemerkenswerten Beispiele haben über Jahrzehnte hinweg hervorragende Leistungen gezeigt. Heute bietet Oerlikon ein umfangreiches Portfolio von TBC- und MCrAlY-Pulvern an, um die Bedürfnisse seiner Kunden zu erfüllen.

Der Bedarf an Wärmedämmschichten

In the constant pursuit of higher efficiency, today's aero and industrial gas turbine engines operate under more stringent conditions, characterized by tighter tolerances, increased pressure ratios, and elevated turbine inlet temperatures. These advancements aim to reduce environmental impacts by lowering NOx and CO2 emissions. However, a significant challenge emerges: while turbine inlet temperatures have risen by a staggering ~500°C (932°F) over the past four decades, the limits of materials used for turbine fabrication have only increased by ~220°C (396°F). As a result, turbine components, and coatings, must now endure temperatures exceeding 1500°C (2732°F). To address this challenge, engineers continue to rely on innovative coating solutions like Thermal Barrier Coatings. Advanced TBCs find application on various critical components such as transition ducts, combustors, heat shields, augmenters, nozzle guide vanes, and blades…to name only a few.

Im ständigen Streben nach höherer Effizienz arbeiten die heutigen Flug- und Industriegasturbinen unter strengeren Auflagen, die durch engere Toleranzen, höhere Druckverhältnisse und höhere Turbineneintrittstemperaturen gekennzeichnet sind. Diese Fortschritte zielen darauf ab, die Umweltbelastung durch geringere NOx- und CO2-Emissionen zu reduzieren.

Es stellt sich jedoch eine große Herausforderung: Während die Turbineneintrittstemperaturen in den letzten vier Jahrzehnten um schwindelerregende ~500°C gestiegen sind, haben sich die Grenzen der für die Turbinenherstellung verwendeten Materialien nur um ~220°C erhöht. Infolgedessen müssen Turbinenkomponenten und -beschichtungen heute Temperaturen von über 1500°C standhalten.

Um diese Herausforderung zu meistern, setzen Ingenieure weiterhin auf innovative Beschichtungslösungen wie Wärmedämmschichten. Hochentwickelte TBCs finden Anwendung auf verschiedenen kritischen Komponenten wie Übergangskanälen, Brennkammern, Hitzeschilden, Augmentern, Düsenleitschaufeln und Schaufeln, um nur einige zu nennen.

Fortschritte bei Materialien für Wärmedämmschichten

Bei Oerlikon verstehen wir, dass es in der Welt der Wärmedämmschichten keine Einheitslösung gibt. Aus diesem Grund bieten wir heute eine breite Palette von Materialien an, darunter Standard-YSZ-Zusammensetzungen, hochreine Optionen und fortschrittliche Low-k-Alternativen mit hervorragenden Wärmedämmeigenschaften.

Wir engagieren uns für kontinuierliche Forschung und Entwicklung. Durch den Einsatz unseres hauseigenen Werkstoffmodellierungs- und Simulationstools Rapid Alloy Development (RAD) und die Zusammenarbeit mit Kunden und Hochschulen können wir die nächste Generation von Werkstoffzusammensetzungen entwickeln, die den Anforderungen moderner Triebwerkskonstruktionen gerecht werden.

Einige Beispiele sind Produkte, die gegen den Angriff von Kalziumdioxid-Magnesiumoxid-Tonerde-Siliziumdioxid (CMAS) resistent sind (Metco 6041A), komplexe Oxide auf Zirkoniumdioxid-Basis mit erhöhter Betriebstemperatur (Metco 206A) und innovative Hochentropie-Oxide (HEOs), die auf die Kombination mehrerer Eigenschaften zugeschnitten sind (z. B. Hochtemperatur-Phasenstabilität, Erosion und CMAS-Resistenz).

Anwendungstechnologien für thermische Spritzschichten

Der Beschichtungsprozess ist ein entscheidender Aspekt für die Effektivität und Leistung von Wärmedämmschichten. Oerlikon hat sich modernste Technologien zu eigen gemacht, um die Effizienz und Zuverlässigkeit des thermischen Spritzprozesses zu verbessern. Wir entwickeln, bieten und nutzen verschiedene Anlagen und Applikationsmethoden, darunter das atmosphärische Plasmaspritzen (APS), das Vakuumplasmaspritzen (VPS) oder das Niederdruckplasmaspritzen (LPPS) sowie das Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen (HVOF).

Unsere innovative Kaskaden-Lichtbogentechnologie, wie sie im SinplexPro™-Plasmaspritzbrenner zum Einsatz kommt, bietet erhebliche Steigerungen bei Effizienz, Wiederholbarkeit und Zuverlässigkeit.  Dies führt zu beträchtlichen Zeit- und Kosteneinsparungen für die Beschichter. In vielen Betrieben konnte der Zeitaufwand für den TBC-Beschichtungsauftrag drastisch reduziert werden, was zu weniger Arbeitsunterbrechungen aufgrund von Wartungs- oder Qualitätsproblemen führt.

Das führende Know-how von Oerlikon bei der Entwicklung kompletter Beschichtungslösungen ermöglicht es den Endanwendern, selbst fortschrittliche TBCs kosteneffizient aufzutragen, die von Natur aus mit höheren Materialkosten und einer höheren Anwendungskomplexität verbunden sein können.

Oerlikon's Engagement für Fortschritte bei Wärmedämmschichten

Bei Oerlikon widmen wir uns der kontinuierlichen Weiterentwicklung von Wärmedämmschichten, Materialien für das thermische Spritzen, Anlagen und Anwendungstechnologien. Auf der Suche nach effizienteren und umweltfreundlicheren Turbinentriebwerken erforschen wir aktiv kundenspezifische Lösungen, um die sich ständig ändernden Anforderungen der Luft- und Raumfahrt und der Industrie zu erfüllen.

Das Engagement von Oerlikon in Forschung und Entwicklung, gepaart mit unserer Expertise in der Entwicklung fortschrittlicher Beschichtungslösungen, macht uns zu einem Vorreiter in diesem Bereich. Zusammen mit unseren Industriepartnern freuen wir uns auf die Zukunft nachhaltiger Gasturbinenmotoren, die durch die bemerkenswerte Welt der Wärmedämmschichten ermöglicht wird.