Thermische Barrierebeschichtung (TBC) für verbesserte Superlegierungsleistung

TBC-Systemstruktur und Materialien

Ein Standard-TBC-System umfasst zwei Hauptschichten, die mittels Plasmaspritzen oder Elektronenstrahl-Physikalischer Gasphasenabscheidung (EB-PVD) aufgebracht werden:

• Haftvermittlerschicht (150–250 μm): MCrAlY-Schicht sorgt für Haftung und Oxidationsbeständigkeit

• Deckschicht (80–300 μm): Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkoniumoxid (YSZ)-Keramik für Wärmeisolierung und Dehnungsausgleich

• Substrat: Superlegierungsbauteil, gegossen oder bearbeitet nach Spezifikation, vor der Beschichtung gestrahlt

Plasmaspritzschichten weisen eine Porosität von 10–15 % für Dehnungstoleranz auf. EB-PVD ermöglicht gefiederte Strukturen für die Turbinenschaufelkühlung.

Häufig mit TBC geschützte Superlegierungen

TBCs reduzieren Oxidation, verzögern den Kriechbeginn und schützen dünne Bereiche vor wärmebedingter Verformung.

Fallstudie: Plasmaspritz-YSZ auf CMSX-4-Schaufeln

Projekthintergrund

Ein Turbinenhersteller benötigte TBC für CMSX-4-Schaufeln, die bei 1100°C betrieben werden. Plasmaspritz-YSZ (8 Gew.% Y₂O₃) wurde mit einer Dicke von 180 μm auf eine 200 μm dicke NiCoCrAlY-Haftvermittlerschicht aufgebracht. Die TBC senkte die Metalloberflächentemperatur um 140°C und erhöhte die Kriechlebensdauer um das 1,8-fache.

Typische TBC-beschichtete Komponenten und Anwendungen

Alle Teile wurden auf Haftfestigkeit, Porosität, thermische Schockbeständigkeit und Oberflächenintegrität geprüft.

TBC-Anwendungsherausforderungen und Lösungen

1. Delaminierungsrisiko, wenn die thermische Ausdehnungsdifferenz zwischen Substrat und Keramik 15 × 10⁻⁶/K überschreitet

2. Erosion bei Gasströmung >30 m/s reduziert die Deckschichtdicke im Laufe der Zeit – Materialverdichtung verbessert die Haltbarkeit

3. Oxidschichtbildung unter der Haftvermittlerschicht bei unkontrollierter Oberflächenvorbereitung oder Umgebung

4. Ra ≤ 5 μm erforderlich für Dichtflächen nach TBC und muss durch Läppen oder Abdecken erreicht werden

5. Thermische Ermüdung bei >1000 Zyklen erfordert nachgiebige Deckschichtporosität und säulenförmige Mikrostruktur

Plasma-TBC-Lösungen für Hochtemperaturlegierungskomponenten

• Plasmaspritzen bei 45–55 kW für gleichmäßige Deckschichtabscheidung bei 100–250 μm Dicke

• Präzisionsabdeckung ±0,1 mm zum Schutz von Dicht- und Gewindeflächen

• Haftvermittlerschicht-Strahlung auf 4–6 Ra μm und NiCoCrAlY-Aufbringung zur Oxidationskontrolle

• YSZ mit 8 Gew.% Y₂O₃ stabilisiert für hohe thermische Zyklusbeständigkeit bis 1200°C

• Nachbeschichtungsverifizierung mittels CMM-, SEM- und Röntgen-Inspektion

Ergebnisse und Verifizierung

Beschichtungsprozessdurchführung

Beschichtungen wurden in einer vakuumversiegelten Plasmazelle mit Echtzeit-Thermalspritzüberwachung aufgebracht. Sprühparameter wurden je nach Geometrie und Substrat angepasst.

Thermische Leistung

YSZ-beschichtete Oberflächen zeigten eine Reduzierung der Oberflächentemperatur um 140–160°C unter 1100°C Gasströmung. Teile bestanden den 1000-Zyklen-Thermalschocktest.

Oberflächenbearbeitung

Kritische Maße wurden nach der Beschichtung beibehalten, wobei Dichtflächen auf Ra 4,5 μm geschliffen wurden. Die Beschichtungsdicken-Gleichmäßigkeit wurde innerhalb von ±10 μm eingehalten.

Inspektion

CMM verifizierte die Geometrie. SEM bestätigte eine Porosität von 10–12 % ohne Mikrorisse. Röntgeninspektion validierte die Integrität der Haftlinie.

FAQs

1. Was ist die maximale Betriebstemperatur für YSZ-basierte TBC-Systeme?

2. Kann TBC nach Betriebsbelastung oder Entfernung erneut aufgebracht werden?

3. Welche Haftvermittlermaterialien werden üblicherweise für Turbinensuperlegierungen verwendet?

4. Wie beeinflusst die TBC-Dicke die Bauteillebensdauer und Kühlung?

5. Sind TBCs für Brennkammer-, Düsen- und Leitschaufelteile anwendbar?