Neue Environmental Barrier Coatings für SiC/SiC-Faserverbundwerkstoffe durch PVD-Technologien

Die Luftfahrtstrategie der Bundesregierung, herausgegeben vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie im Jahr 2014, stellt für die „Zukunftsfähigkeit des Luftverkehrs“ heraus, dass hierfür „in hohem Maße die Umweltverträglichkeit und Ressourcenschonung ausschlaggebend“ seien. Diese Ziele wurden im Rahmen der erlassenen ACARE (Advisory Council for Aviation Research and Innovation in Europe) Strategiedokumente VISION 2020 (2001) und FLIGHTPATH 2050 (2011) mit konkreten Zahlen belegt. Sie beziehen sich auf ein typisches Neuflugzeug des Jahres 2000. Die CO2-Emissionen sollen demnach bis zum Jahr 2020 um 50 % und bis 2050 um 75 % reduziert werden, einhergehend mit einer NOX-Reduktion von 80 % bzw. 90 %. Um diese ambitionierten Ziele zu erreichen, sind vielfältige Ansätze denkbar und notwendig, etwa im Bereich der Aerodynamik oder im Leichtbau. Das größte Potenzial bieten jedoch die Triebwerke selbst. Deren Effizienz lässt sich wirkungsvoll mit einem erhöhten Nebenstromverhältnis und erhöhten Brennkammertemperaturen steigern.
Der Ansatz, der in dieser Arbeit betrachtet wird, zielt auf höhere Brennkammertemperaturen von Flugzeugturbinen ab. ... mehrUm künftige Flugzeugtriebwerke erheblich effizienter und umweltfreundlicher betreiben zu können, ist die Einführung von nichtoxidischen, keramischen Faserverbundwerkstoffen (Ceramic Matrix Composite – CMC) auf SiC-Basis dringend erforderlich. Die begrenzte Einsatztemperatur aktuell eingesetzter metallischer Werkstoffe von 1150°C übertreffen die CMCs deutlich. Somit erlauben sie den Betrieb bei Werkstofftemperaturen bis zu 1300°C. SiC/SiC-CMCs finden in den neuesten Triebwerksgenerationen, wie dem Leap-X und dem GE9X, zunehmend Eingang. Ein Grund hierfür ist das um zwei Drittel reduzierte Gewicht gegenüber herkömmlichen Nickel-Basislegierungen. Mittelfristig soll das Einsatzgebiet aus temperatur- und versagensunkritischen Bereichen hin zu kritischeren Applikationen, wie Brennkammerbauteilen und Leitschaufeln in der Hochdruckturbine überführt werden. Dazu benötigen SiC/SiC-CMCs für einen zuverlässigen Betrieb Schutzschichten insbesondere gegen Oxidation und schnell strömenden Wasserdampf, da der Werkstoff sonst rapide abgetragen werden würde. Abhilfe kann hier ein Schutzschichtsystem (sog. Environmental Barrier Coating System - EBC) schaffen, mit dem sich diese Arbeit befasst.
Ziel dieses Promotionsvorhabens ist die Entwicklung eines möglichst umfassenden Lösungskonzeptes für ein EBC-System. Hierzu werden neue Beschichtungsprozesse für die Herstellung der Schichten entwickelt und die nachträglichen Glühbehandlungen optimiert. Die experimentelle Validierung vollständiger Schichtsysteme sowie die Erarbeitung eines tiefgehenden Verständnisses der zugrunde liegenden mikrostrukturellen und thermochemischen Prozesse bilden weitere Schwerpunkte.