Hitzeschilde für sparsame Flugzeuge

Damit Flugzeuge sparsamer, umwelt­freundlicher und robuster werden, haben Forscher am Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahl­technik in Dresden eine neue keramische Hitze­schild-Technologie entwickelt. Dafür wird ein Pulver aus mit Yttrium stabili­siertem Zirkonium­oxid mit Wasser zu einer Suspension angerührt. Mit diesem flüssigen Pulver­gemisch lassen sich im Spritz­verfahren schnell und preis­günstig Turbinen­schaufeln und andere Flugzeug­teile beschichten. Solche und ähnliche Schilde machen Flugzeug­triebwerke möglich, die weniger Kraftstoff verbrauchen und die Atmosphäre nicht so stark verschmutzen. Das Team um Maria Barbosa hat die neue Technologie inzwischen mit dem Schweizer Anlagen­bauer AMT in die industrielle Praxis überführt. Die Forscher sehen für ihr Suspensions­spritz­verfahren viel Potenzial in der Luft- und Raumfahrt, aber auch in der Halb­leiter­industrie sowie vielen anderen Branchen.

„Damit werden hochwertige und langlebige Schutz­schichten selbst auf großen Bauteilen möglich – zu vergleichs­weise niedrigen Kosten“, betont Barbosa. „Indem wir Suspensionen statt Pulver spritzen, können wir Werkstoffe mit sehr kleinen Partikeln einsetzen, die bisher nicht dafür geeignet waren. Wir schlagen hier eine Brücke zwischen den etablierten Beschichtungs­verfahren, die alle ihre Vor- und Nachteile haben. In Zukunft lassen sich damit auch neuartige Werkstoff­kompositionen verarbeiten.“ Um Wärme­dämm­schichten zu erzeugen, sind bisher vor allem zwei Technologie­pfade üblich: Einige Unter­nehmen bearbeiten die Bauteile mit Elektronen­strahl­verdampfern in Vakuum­kammern. Dabei entstehen sehr hoch­wertige und lang­lebige Schichten. Aber dieses Verfahren ist teuer, insbesondere für die Beschichtung sehr großer Bauteile. Der zweite Technologie­pfad ist das atmo­sphärische Plasma­spritzen. Dabei wird Pulver in einem Plasma­strahl geschmolzen und auf das Bauteil geschleudert. Das ist zwar relativ preiswert, weil es ohne Vakuum­kammern auskommt. Aber die so erzeugten Schutz­schichten sind wenig belastbar.

Mit dem „YSZ-Suspensions­spritzen“ haben die Forscher jetzt eine Alternative entwickelt. Die Körner in dem Pulver weisen einen Durchmesser von nur einem Mikrometer auf oder sind noch kleiner. Solche besonders feinen Pulver würden in klassischen Verarbeitungs­verfahren sehr rasch verklumpen und die Maschinen­schläuche verstopfen. Deshalb rühren die Ingenieure mit Wasser oder Alkohol eine Suspension an. Auf diese Weise werden die Partikel dann doch spritzbar. Dabei entsteht eine Abschirm­schicht, die etwa fünf­hundert Mikrometer dünn ist. Weil dafür kein Vakuum nötig ist, bleiben die Kosten über­schaubar. Zudem lassen sich so auch große Flugzeug-Komponenten mit relativ hohem Tempo beschichten. Eine beschichtete Flugzeug­turbine kann bei höheren Temperaturen arbeiten als ein unbeschich­tetes Aggregat. So könnte sich die Betriebs­temperatur einer Turbine um etwa 150 Grad anheben lassen. Das erhöht ihren Wirkungs­grad, macht sie lang­lebiger und reduziert den Kühl­aufwand. Unterm Strich sinkt der Kraft­stoff­verbrauch.

„Auch die Umwelt wird weniger belastet, weil der Treibstoff in den verbesserten Trieb­werken effizienter verbrennt, was den Kraft­stoff­verbrauch reduziert und entsprechend weniger Schad­stoffe ausstößt“, so Barbosa ein. Um einen weiteren Vorteil neuer Trieb­werks­beschich­tungen zu verstehen, lohnt sich eine Zeitreise ins Jahr 2010: Als damals der isländische Vulkan Eyjafjallajökull ausbrach, legte er den Flugverkehr in halb Europa lahm. Abgesehen von den Sicht­problemen durch die hoch­geschleuderte Vulkan­asche sorgten sich die Fluggesell­schaften auch über mögliche Turbinen­schäden. Denn diese Asche enthält, ähnlich wie der nicht minder schädliche Flugsand, Kalzium-Magnesium-Aluminium-Silikate. Schmilzt dieses Material in einer ungeschützten Brennkammer, kann es erhebliche Schäden anrichten.

Eben gegen diese Schäden kann eine qualitativ hochwertige Zusatz­schicht helfen, die nicht gleich wieder abplatzt. Auch darauf zielt das neue Suspensions­spritz­verfahren. „Für diesen Anwendungs­fall arbeiten wir mit dem DLR und der TU Dresden zusammen“, sagt Barbosa. „Wir wollen gemeinsam eine Opfer­schicht entwickeln, damit Asche und Sand nicht gleich die Turbinen­schaufel selbst angreifen können. Die Flugzeuge sollen dadurch auch nach einem Vulkan­ausbruch noch sicher ihr Ziel erreichen.“

Auch in der Halbleiterbranche stößt das IWS-Verfahren auf großes Interesse. Denn in der Chip­produk­tion setzen die großen Mikro­elektronik­fabriken unter anderem Plasma-Ätzkammern ein. In denen greifen aggressive Fluor­verbin­dungen immer wieder die Kammer­wände an. Mit innovativen Schichten wollen Anlagen­bauer das Innere der Maschinen in Zukunft besser gegen Korrosion schützen. „Wir bemerken eine große und wachsende Nachfrage aus der Industrie an unserem Verfahren – und dies aus vielen Branchen“, betont Barbosa. „Wir wollen nun weitere Anwendungs­möglich­keiten erschließen. Gemeinsam mit kleinen und mittleren Unter­nehmen arbeiten wir im Rahmen eines IGF-Projekts daran, auch Hartmetall wie Wolfram­karbid in einer Kobalt-Matrix spritzbar zu machen.“

Fh.-IWS / RK

Weitere Infos

• Thermischen Spritzen (M. M. Barbosa), Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik, Dresden