Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Neue Methoden für die Abscheidung und Charakterisierung von Schichten zum Hitze- und Korrosionsschutz

Ceramic matrix composites and non-oxide ceramics are potential near-future materials for high temperature applications in gas turbines for energy production and aviation. The strength and mechanical properties at temperatures up to 1500 °C make these materials perfect candidates to increase efficiency and to lower emissions. However, corrosive attack by water vapor is a reliability- and lifetime-limiting factor and thermal insulation is important for oxide ceramic matrix composites, as they have a lower temperature limit compared to non-oxide ceramics (silicon nitride). Therefore, protective coatings are necessary. We will investigate a new type of environmental and thermal barrier coating. In a novel approach, a single phase material with high corrosion resistance and low thermal conductivity will be deposited. Solid-state reactions between the substrate material and the coating should provide strong adhesion. In addition, a defined pore distribution should provide good thermal insulation and high tolerance against defects. The deposition will be carried out by atmospheric plasma spray (APS), electron beam physical vapor deposition (EB-PVD) and plasma spray physical vapor deposition (PS-PVD). The new material needs to be studied extensively to know how the material behaves depending on its structure. As a new approach, non-destructive X-Ray computed tomography will be combined with scanning electron microscopy and cross-sectioning using a focused ion beam. The non-destructive X-ray technique has the distinct advantage of performing corrosion testing and studying weak spots in the material coating system. 3D images of pores or cracks down to 1nm resolution can be made using electron microscopy to understand their formation and evolution. Both techniques are well-suited to quantify important material parameters such as the pore size distribution and pore topology, which can hardly be measured with other methods.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen der F&E-Aktivitäten zur Abscheidung und Charakterisierung von Schichten zum Hitze- und Korrosionsschutz (EB/TB) erfolgte einerseits eine sehr enge Zusammenarbeit zwischen den Bereichen Materialsynthese und Materialcharakterisierung, und ebenfalls eine Interaktion zwischen den Forschergruppen in Deutschland und Polen. Es wurden originäre wissenschaftliche Ergebnisse sowohl bezüglich der Materialauswahl für neuartige Keramikschichten als auch für deren 3D Charakterisierung erzielt. Die wissenschaftlichen Ergebnisse ermöglichen einerseits eine Eingrenzung der Materialauswahl für EB/TB-Schichtsysteme, und liefern Informationen zu anwendungstechnisch wichtigen Parametern wie Adhäsion /Schichthaftung als auch Maschinenparametern für die Herstellung selbst. Andererseits wurden spezielle Techniken zur Materialcharakterisierung auf die Untersuchung der keramischen Schichten optimiert und weiterentwickelt. Hier ist insbesondere die Einbeziehung von machine-learning-Algorithmen zur Auswertung von micro-XCT-Daten zu nennen.

Die im Rahmen dieser Zusammenarbeit entstandenen wissenschaftlichen Ergebnisse sind nicht nur für die Weiterentwicklung des Wissenschaftsgebietes wichtig, sondern können in Optimierungsprozesse der Schichthersteller einfließen und Entwicklungszeiten reduzieren. Dies gilt insbesondere für die Eingrenzung der Materialzusammensetzung der Schichtsysteme und die Prozessoptimierungen zur Erzielung einer guten Adhäsion/Schichthaftung. Die in dem F&E-Vorhaben für die speziellen Fragestellungen der Analytik angewandten und weiterentwickelten Charakterisierungsverfahren sind für die Industrie verfügbar und können auf weitere keramische Systeme angewandt werden. Dies gilt insbesondere auch für Algorithmen zur Modellierung und Simulation, vor allem für die flexible Rekonstruktionssoftware, um die räumliche Auflösung der 3D-Daten und daraus abgeleiteten Finite-Elemente-Modellen zu verbessern, sowie für die optimierte Umwandlung von 3D-Daten in Modelle.