Entwicklung erweiterter MAX-Phasen-Beschichtungen (eMAX) zum Schutz von Triebwerkskomponenten unter Hochtemperaturstrahlverschleißbelastung (eMAX/Hot)

Förderung: ZIM

Laufzeit: 04/19 – 03/21

Abstract:
Die Anforderungen an Triebwerkskomponenten in der Luftfahrt steigen ständig. Die Ziele der Reduktion des CO2- und NOx- Ausstoßes sowie des Lärmpegels können nur über den Einsatz neuer Werkstoffe erreicht werden. Diese müssen leichter, temperaturbeständiger und dabei gleichzeitig schadenstolerant und vorhersagbar sein. In vielen Einsatzszenarien benötigen diese Komponenten zur Erzielung ausreichender Lebensdauern den zusätzlichen Schutz durch Beschichtungen, insbesondere wenn die Bauteile einer direkten Erosionsbelastung ausgesetzt sind. Hohe Sand- und Staubkonzentrationen treten im Flugbetrieb zwar vor allem bei Start- und Landevorgängen in ariden Gebieten auf, jedoch wird auch eine erhebliche Menge an Partikeln durch Wind in die Atmosphäre getragen und weit verbreitet. Durch Materialabtrag kann sich Geometrie und Oberflächenbeschaffenheit der Schaufeln stark verändern, was letztendlich zu Leistungsverlusten im Triebwerk führen kann.

Durch die auftretenden Verschleißerscheinungen mit unterschiedlicher Stärke in verschiedenen Flugregionen werden derzeit in der Luftfahrt sehr kurze Wartungsintervalle gefahren. Zudem werden schon leicht verschlissene Turbinenteile ausgetauscht um eine sehr hohe Flugsicherheit gewährleisten zu können. Daher wäre eine Standzeiterhöhung aller Turbinenteile von auch nur 10% von immensem wirtschaftlichen Interesse und würde nach Aussage der Luftfahrtindustrie ein großes Potenzial an Kostenersparnissen darstellt. Ein innovativer Ansatz sind daher moderne Beschichtungsverfahren mit Dünnfilmschichten nach dem MAX-Phasen-Prinzip. Diese Phasen sind in der Wissenschaft beschrieben, die Überführung in Anwendungsfelder fehlt aber weitestgehend. Des Weiteren ist eine adäquate Prüftechnik für solche Anwendung noch nicht normiert. Auch hier ist die Entwicklung adäquater Tests von großem wirtschaftlichem Interesse.

Ziel dieses Projektes ist es, den Bereich dieser technisch nutzbaren Phasen zu erweitern, insbesondere in Hinblick auf Errosiosbeständigkeit bei hohen Temperaturen. Das Projekt unterteilt sich daher in zwei Teilprojekte:

1. Entwicklung von neuartigen eMAX-Targets nebst Herstellungs- und Bondtechnologie
2. Entwicklung von Beschichtungsprozessrahmenbedingungen und Umwandlungsprozess sowie dieEntwicklung einer geeigneten Test- und Untersuchungsstrategie für solche Schichtsysteme

Hierbei sollen die MAX-Phasen ähnlichen Schichten mittels PVD-Prozess von einem Compound Target gesputtert werden. Anschließend werden diese Schichten wärmebehandelt, um die Eigenschaften lokal zu beeinflussen. So sollen zum Beispiel für Anwendungen mit erosivem Verschleiß primär keramische Eigenschaften erzeugt werden. Die Dünnfilmschichten werden weiterhin mit verschiedenen Untersuchungsmethoden auf ihrer Verschleißbeständigkeit geprüft. Insbesondere werden Strahlverschleißversuche unter erhöhter Umgebungstemperatur von bis zu 700 °C durchgeführt um das Verhalten der Beschichtungen im Hinblick auf Triebwerksanwendungen zu qualifizieren.