Kleine Strukturen – große Wirkung
Gemeinsam mit Rolls-Royce haben Forscher eine effiziente Turbineneinlaufbeschichtung für Flugzeugtriebwerke entwickelt. Mithilfe eines hochpräzisen Lasers werden winzige Strukturen aus Metall erzeugt, die für eine hohe Haftfestigkeit sorgen.
Die Einlaufschicht hält bei Start und Landung eines Flugzeugs extremen Temperaturwechseln von über 1.000 °C stand.
Abplatzen verhindern
Mit dem Ziel die Triebwerkseffizienz zu verbessern, ging Rolls-Royce Deutschland eine Kooperation mit dem Fraunhofer Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS ein. Der Schwerpunkt lag in der Untersuchung der Grenzfläche zwischen der Nickelbasislegierung und der keramischen Einlaufschicht von thermisch belasteten Triebwerksteilen. Wenn sich Bauteile unter Erhitzung ausdehnen, können aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten der Materialien Spannungen entstehen, die ein Abplatzen der keramischen Schicht zur Folge haben.
Verlängerte Wartungsintervalle
Zur Stärkung der Einlaufschicht wurden mit einem hochpräzisen Laser metallische Mikrostrukturen aufgetragen und somit Schicht und Oberfläche miteinander verklammert. Durch diese Maßnahme gelang es, die Lebensdauer der Einlaufschicht zu erhöhen und die Wartungsintervalle der Bauteile zu verlängern.
Segmentierungsrisse verbessern Dehnung
Zunächst analysierten die Forscher per Simulation von Wärmeleitung und -übergang Entwicklungspotenziale und zeigten Lösungsansätze auf, um die Haftfestigkeit der Schichten zu erhöhen. Die Untersuchungen zeigten zusätzlich, dass gezielt eingebrachte Segmentierungsrisse in der keramischen Schicht helfen können, die Dehnungstoleranz der Schicht zu verbessern und somit die Neigung zum Abplatzen zu verringern.
Verbesserte Spritztechnologie
Ein präziser Laser-Auftragsschweißprozess war notwendig, um eine definierte 3-D-Oberflächenmorphologie zu erzeugen. Die Optimierung der Prozessparameter ging einher mit der Entwicklung von Systemtechnik für die Pulverzufuhr und Prozesskontrolle. Neben der speziellen Oberflächenmorphologie musste die Spritztechnologie optimiert werden, um Segmentierungsrisse kontrolliert und reproduzierbar zu erzeugen.