Mit Keramik beschichtete Turbinenschaufeln halten höchsten Temperaturen über lange Zeiträume stand. Ein neues Laserverfahren vereinfacht und beschleunigt nun die Reparatur der Schutzschichten.
Probe mit Mikrosäulen
Forschungszentrum Jülich | Hiltrud Moitroux
Kerosin in Flugzeugtriebwerken oder Erdgas in Gasturbinen verbrennen bei Temperaturen von mehr als 1500 °C. Dieser Hitze halten Turbinenschaufeln mit einer dünnen, hitzebeständigen Keramikschicht über tausende Betriebsstunden stand. Allerdings kommt es durch verschiedene Alterungsprozesse auch zu Schädigungen der Keramikschichten, was aufwendige Reparaturen erfordert. Mit einer neuen Variante des Laserauftragschweißens könnten kleine Schäden in Zukunft jedoch einfacher und schneller behoben werden.
Dafür haben Materialforscher vom Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-1) am Forschungszentrum Jülich eine neue Variante des Laserauftragschweißens entwickelt. Es erzeugt keine glatten, homogenen Keramikschichten, sondern ganze Areale aus winzigen Keramik-Mikrosäulen von weniger als einem halben Millimeter im Durchmesser und Längen von mehreren Millimetern. Nach Angaben der Wissenschaftler weisen solche Säulenstrukturen eine ausgesprochen hohe Beständigkeit bei hohen Temperaturen und gegenüber häufigen Temperaturwechseln auf, wie sie in der Gasturbine auftreten.
Als Material kommt Zirkoniumdoxid zum Einsatz, das mit kleinen Zusätzen aus Yttriumoxid stabilisiert ist. Ein feines Pulver dieser YSZ genannten Keramik wird mit einem Argon-Gasstrahl aufgetragen, während das Pulver-Gas-Gemisch zugleich mit einem Laserstrahl eines Faserlasers mit der Wellenlänge von 1064 nm gekreuzt wird. Dadurch wird das Keramikpulver kurzfristig bei mehr als 2700 °C geschmolzen. Bei dem Prozess werden der Laserstrahl und die Pulverzufuhr mit etwa 5 mm/s nach oben bewegt. Dadurch wächst die filigrane YSZ-Mikrosäule. Der Vorgang kann anschließend Säule für Säule hundertfach wiederholt werden. Nach Darstellung der Wissenschaftler hat das Verfahren großes Potenzial für die Wartung und Reparatur von Turbinenschaufeln, aber auch von Keramikelementen in Brennstoffzellen.