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Wärmedämmschichten (TBCs) verstehen
Für den Hochtemperaturschutz und die Verbesserung der Effizienz von Turbinentriebwerken sind Wärmedämmschichten (engl: Thermal Barrier Coatings - TBCs) essenziell. Diese Beschichtungen spielen eine entscheidende Rolle beim Schutz von Turbinentriebwerken vor den schädlichen Auswirkungen extremer Temperaturen. In diesem Artikel werden wir in die Welt der TBCs eintauchen. In diesem Artikel tauchen wir in die Welt der TBCs ein und untersuchen ihre Bedeutung, ihre Anwendungen und die innovativen Schritte, die Oerlikon unternimmt, um den sich wandelnden Anforderungen der Luft- und Raumfahrt und der Industrie gerecht zu werden.
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 extrem hohen Temperaturen und rauen Einsatzbedingungen, 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 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 Gasturbinen in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Industrie. In der Vergangenheit wurden solche Schichten 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 Werkstoffe haben sich über Jahrzehnte hinweg hervorragend bewährt. Heute bietet Oerlikon ein umfassendes Portfolio an TBC- und MCrAlY-Pulvern an, um die Anforderungen seiner Kunden zu erfüllen.
Die REM-Querschnittsaufnahme eines typischen TBC-Beschichtungsgefüges zeigt verschiedene Poren und Risse.
Der Bedarf an Wärmedämmschichten
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.
Doch die Herausforderung ist groß: Während die Turbineneintrittstemperaturen in den letzten vier Jahrzehnten um schwindelerregende ~500°C gestiegen sind, haben sich die Grenzen der für den Turbinenbau verwendeten Werkstoffe 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. Hochentwickelte TBCs finden Anwendung auf verschiedenen kritischen Komponenten wie Übergangskanälen, Brennkammern, Hitzeschilden, Augmentern, Düsenleitschaufeln und Schaufeln, um nur einige zu nennen.
Wärmedämmschichten schützen die Triebwerke eines Flugzeugs.
Fortschritte bei Materialien
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, die naturgemäß mit höheren Materialkosten und einer höheren Anwendungskomplexität verbunden sind, kosteneffizient aufzubringen.
Oerlikon's Engagement für Innovation
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.