Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Wärmedämmschichten für Flugzeugtriebwerke mit Widerstandsfestigkeit gegenüber Vulkanaschen

Thermal barrier coatings (TBCs) in jet engines are confronted with a high damaging load by ingested solid particles. A specific danger is given by volcanic ashes that melt at temperatures significantly lower than that of common dust and closer to operation conditions. Their specific chemical, physical, and thermal properties are decisive for the degradation behavior of the TBCs. The development of highly resistant systems requires a deep characterization of real volcanic ashes that generally lies beyond the R&D capabilities of small or medium-sized job coaters.

The VAsCo consortium will address this lack and focus on the damaging mechanism of ceramic TBCs by ashes from real volcanoes in order to understand their damaging mechanism. Based on this, thermal barrier coatings (TBCs) deposited via electron-beam physical vapor deposition (EB-PVD) and thermal spraying with good resistance against these ashes will be developed.

Therefore, the chemical, physical, and thermal characteristics of selected volcanic ashes and the influence of their deposits on the TBCs will be analyzed. Based on these results, the chemistry and microstructure of the ceramics will be optimized. The coatings will be tested in the laboratory under near real conditions.

The findings will be used for synthesizing an ash suitable for standard corrosion/erosion tests. A model will summarize the results to facilitate the prediction of damaging mechanism regarding TBC microstructure. Tuning the morphology of thermally sprayed coatings by using suspensions as feedstock will deliver similar structures to commonly applied EB-PVD TBCs and offer the possibility to replace this cost-intensive process by a more economic technology.

The SMEs will be offered approaches to optimize their existing production procedures regarding coating materials, parameters, and technologies. They can use the results for further development on their own or by subsequent cooperation with consortium partners.

Ergebniszusammenfassung:

Im Flugbetrieb werden die Strahltriebwerke von Flugzeugen durch aus der Umgebungsluft angesaugte Stäube belastet. Diese können in den heißen Bereichen der Turbinen flüssig werden und sich an den Turbinenbauteilen ablagern. Insbesondere Vulkanaschen sind in diesem Zusammenhang sehr kritisch, da sie schon bei wesentlich geringeren Temperaturen als im Turbinenbetrieb auftreten schmelzflüssig werden und somit ein hohes Schädigungspotential aufweisen. Höchst gefährdet sind die keramischen Wärmedämmschichten auf den Turbinenschaufeln, sog. TBC (thermal barrier coatings).

Das Projektkonsortium von VAsCo hatte das Ziel, die Schädigungsmechanismen im Turbinenbereich, die durch Aschen vulkanischen Ursprungs ausgelöst werden, intensiv zu untersuchen und Lösungen zu finden, um Schädigungsausmaß und/oder -häufigkeit zu verringern. Dazu gehörte insbesondere eine tiefgehende Untersuchung dieser Mechanismen im Zusammenspiel mit der Erprobung von Methoden und Materialien zur Herstellung der TBC. Durch die Herangehensweise der Verwendung realer Vulkanaschen und eine repräsentative Auswahl der chemischen Zusammensetzungen vorzunehmen, konnte eine eingehende und vergleichende Untersuchung der Schädigungswirkungen an TBC vorgenommen werden. Die gleichzeitige Untersuchung von technischen Lösungen auf Seiten der Beschichtungsmaterialien und -technologien ermöglichte es, die Einflussfaktoren sowohl seitens der Vulkanaschen als auch der Schichteigenschaften zum Schadensausmaß einzuschätzen. Der Bereich an Aschenzusammensetzungen mit dem höchsten Schädigungspotential konnte ermittelt werden. Diese Ergebnisse sind in der vorliegenden Breite bisher noch nicht öffentlich verfügbar gewesen. Anwendungen sind natürlich in erster Linie im Umfeld der Herstellung und des Betriebs von Strahltriebwerken zu suchen. Es sind jedoch auch Anwendungsmöglichkeiten in der chemischen oder Energie erzeugenden Industrie denkbar, in denen mineralische Stäube in heißen Zonen Schäden verursachen.