01IF22355N
Die EU-Richtlinie „Flightpath 2050“ (2011) setzt der Luftfahrtindustrie ambitionierte Ziele, darunter eine Reduzierung der CO2-Emissionen um 75 %. Um diese Vorgaben zu erreichen, müssen Flugzeugturbinen effizienter werden. Ein zentraler Hebel ist die Gewichtsreduktion durch Leichtbaumaterialien. Titanaluminide (TiAl) werden bereits eingesetzt, um Nickellegierungen in Niederdruckbereichen zu ersetzen. Ihr Einsatz bleibt jedoch begrenzt, da sie oberhalb von ca. 700 °C eine zu geringe Oxidationsbeständigkeit aufweisen und zudem verschleißanfällig sind.
Ziel des Projekts war daher, den Anwendungsbereich von Titanaluminiden durch schützende MAX-Phasen-Beschichtungen zu erweitern. MAX-Phasen kombinieren metallische und keramische Eigenschaften und bieten hohen Oxidations- und Verschleißschutz. Im Projekt wurden mittels Magnetron-Sputtern MAX-Phasen-Beschichtungen auf Basis von Ti2AlC, Cr2AlC und Ti2AlN hergestellt. Untersuchungen zeigten, dass Ti2AlC-Beschichtungen die TiAl-Legierungen wirksam vor Oxidation schützen. Für SiC-basierte Werkstoffe wurde zudem eine AlN-Diffusionsbarriere entwickelt und mit einer aluminiumreichen Ti2AlN-Beschichtung kombiniert. Dadurch konnten schädliche Interdiffusionsprozesse verhindert, die Haftung verbessert und die Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen erhöht werden.
Ein wichtiger Befund war die Identifikation von Wasserdampf als kritischem Schädigungsfaktor für MAX-Phasen. Als wirksame Gegenmaßnahme wurde eine Voroxidation in trockener Luft abgeleitet. Mechanische 4PB-Tests belegten außerdem, dass MAX-Phasen die Sauerstoffversprödung von TiAl reduzieren: Nach thermischer Auslagerung zeigten beschichtete Proben ein deutlich verbessertes Riss- und Versagensverhalten gegenüber unbeschichteten Referenzen. Tribologisch ergaben sich gemischte Resultate: Für TiAl wurde keine Verbesserung nachgewiesen, bei SiC/SiC zeigte die Ti2AlN/AlN-Kombination bei erhöhten Temperaturen jedoch einen reduzierten Reibungskoeffizienten und damit einen potenziellen Vorteil für Hochtemperaturanwendungen.
Insgesamt wurden industrienahe Schutzschichtsysteme entwickelt, die mit etablierten PVD-Verfahren herstellbar sind. Die Ergebnisse liefern wichtige Grundlagen und konkrete Handlungsempfehlungen (u. a. zu Diffusionsbarrieren und Voroxidation) für den künftigen Einsatz von MAX-Phasen-Beschichtungen in hochtemperaturbeanspruchten Bauteilen der Luftfahrt-, Energie- und Turbinentechnik.
Bearbeitet wurde das Forschungsthema von 06/22 bis 11/25 am DECHEMA-Forschungsinstitut (Benzstr. 1-3, 61352 Bad Homburg v. d. Höhe, Tel. 06172/89938-0) unter der Leitung von Dr. Katharina Beck (Leiter der Forschungseinrichtung Prof. Dr.- Ing. Mathias Galetz) und am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Frontier Materials auf der Erde und im Weltraum (Linder Höhe, 51147 Köln, Tel. 02203/601-0) unter der Leitung von Dr. Nadine Laska (Leitung der Forschungseinrichtung Prof. Dr.-Ing. Guillermo Requena).
Das IGF-Vorhaben Nr. 01IF22355N der Forschungsvereinigung DECHEMA, Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e.V., Theodor-Heuss-Allee 25, 60486 Frankfurt am Main wurde im Rahmen des Programms „Industrielle Gemeinschaftsforschung (IGF)“ durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.