M.Sc. M. Weber

Wissenschaftlicher Mitarbeiter

Arbeitsgebiet:

"Integratives Design von neuartigen Mo-Si-Legierungen und Schutzschichten für Hochtemperaturanwendungen"

Im heißen Bereich von Gasturbinen und Verbrennungsmaschinen werden derzeit hauptsächlich Nickelbasislegierungen eingesetzt. Die maximale Einsatztemperatur für diese Werkstoffklasse liegt mit 1100°C bereits ungewöhnlich nahe an ihrem Schmelzpunkt und lässt sich deshalb durch Weiterentwicklung nur wenig erhöhen. Um die Effizienz von Gasturbinen in Zukunft weiter steigern zu können, bedarf es daher neuer Hochtemperaturwerkstoffe mit (i) verbessertem Temperaturpotential und (ii) geringerem spezifischen Gewicht. Neben keramischen Werkstoffen wie SiC werden dafür ebenso mehrphasige Nb- und Mo-Silizid-basierte Legierungen in Betracht gezogen. In den letzten Jahren ist das Interesse an der Weiterentwicklung des letztgenannten Systems sowohl seitens akademischer Einrichtungen als auch der Industrie weltweit enorm gestiegen. Mo-Si-B-Legierungen, die gute mechanische Hochtemperatureigenschaften besitzen, bieten bei Anwendung in Verbrennungsmaschinen ein hohes Potential zur weiteren Reduktion der Schadstoffemissionen und zur Ressourcenschonung seltener Legierungselemente. 

Die seit Jahrzehnten betriebene Forschung an Mo-Basislegierungen zeigt, dass eine Kombination von guten mechanischen Eigenschaften bei Hochtemperaturen und ein dauerhafter Oxidationswiderstand dieser Werkstoffe sichergestellt werden muss. Außerdem ist es offensichtlich, dass SiO₂-bildende Schutzschichten für Langzeiteinsätze benötigt werden. Werden diese Werkstoffe in der schnell strömenden Verbrennungsatmosphäre von Gasturbinen eingesetzt, muss SiO₂ gegen Wasserdampfkorrosion mittels Environmental Barrier Coatings geschützt werden, was die Aufbringung einer entsprechenden keramischen EBC-Deckschicht erfordert. Ferner ist das Oxidationsverhalten des Substratmaterials bzw. seine Vorbehandlung soweit zu ertüchtigen, dass ein Abplatzen der Oxidationsschutzschicht nicht zu einem Totalausfall der Komponente führt.

Das übergeordnete Ziel dieses Vorhabens ist demzufolge die Entwicklung einer technisch einsetzbaren Mo-Si-B-Ti-Legierung mitsamt einem Beschichtungssystem (Abbildung 1), das in einem breiten Temperaturbereich sowohl in trockenen als auch in feuchten Atmosphären einen dauerhaften Schutz bietet. 

 

Abbildung 1: Möglicher Aufbau eines kompletten Schutzschichtsystems mit Diffusionsbarriere, Oxidationsschutzschicht und EBC

Das Projekt wird in enger Zusammenarbeit der drei Forschungseinrichtungen, Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR), Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und Universität Siegen (USiegen), bearbeitet. Zur Untersuchung der Legierungen und Beschichtungssysteme sind umfangreiche Oxidationsversuche bei verschiedenen Atmosphären und Temperaturen geplant. Untersuchungen mittels TGA, REM, FIB und TEM ermöglichen eine Beurteilung der Oxidationskinetik und eine mikrostrukturelle Charakterisierung des Aufbaus der Oxidschichten und der inneren Korrosionszonen.