Aufnahme einer Probe mit den keramischen Mikrosäulen in unterschiedlicher Größe. (Bild: Forschungszentrum Jülich / Hiltrud Moitroux)
Wenn Kerosin in Flugzeugtriebwerken oder Erdgas in Gasturbinen verbrennen, herrschen sehr hohe Temperaturen von mehr als 1500 Grad Celsius. Dieser Hitze halten Turbinenschaufeln mit einer dünnen, hitzebeständigen Keramikschicht über tausende Betriebsstunden stand. Im Lauf der Zeit kommt es aber zu Schäden an den Keramikschichten, aufwendige Reparaturen an der ganzen Turbinenschaufel werden dann nötig.
Einfacher und schneller als bisher könnten kleine Schäden in Zukunft mit einem neuen Verfahren behoben werden, das Materialforscher vom Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-1) am Forschungszentrum Jülich entwickelt haben. „Unsere neue Variante des Laserauftragsschweißens kann ein mögliches Verfahren für Reparaturen von Keramikschichten darstellen“, sagt Dr. Christoph Vorkötter, der das Verfahren als Postdoktorand mit seinen Kollegen Dr. Daniel Emil Mack und Martin Tandler entwickelt hat.
Warum Säulen statt glatter Oberflächen?
Dabei fasste Vorkötter keine glatten, homogenen Keramikschichten ins Auge, sondern ganze Areale aus winziges Mikrosäulen. Jede dieser eng aneinander stehenden Säulen misst weniger als einen halben Millimeter im Durchmesser und kann Längen von mehreren Millimetern erreichen.
„Solche Säulenstrukturen haben sich durch eine ausgesprochen hohe Beständigkeit bei hohen Temperaturen und gegenüber häufigen Temperaturwechseln, wie sie in der Gasturbine auftreten, bewährt“, sagt Vorkötter.
Welches Material kommt dabei zum Einsatz?
Als Material wählten die Materialforscher Zirkoniumdoxid, das mit kleinen Zusätzen aus Yttriumoxid stabilisiert wurde. Ein feines Pulver aus dieser kurz „YSZ“ genannten Keramik blies Vorkötter mit einem Argon-Gasstrahl auf ein Probenträger etwa von der Größe einer Zwei-Euro-Münze. Zugleich kreuzte er dieses Pulver-Gas-Gemisch mit dem Laserstrahl eines Faserlasers mit 1064 Nanometern Wellenlänge.
Die Leistung des Lasers reicht aus, um das Keramikpulver kurzfristig bei sehr hohen Temperaturen von mehr als 2700 Grad Celsius zu schmelzen. Bei dem Prozess bewegten die Forschenden den Laserstrahl und die Pulverzufuhr etwa fünf Millimeter pro Sekunde nach oben. Parallel dazu wuchs die filigrane YSZ-Mikrosäule. Hundertfach wiederholt entstand so ein ganzer Wald aus gräulichen, eng beieinanderstehenden Mikrosäulen – zwischen weniger als einem halben bis zu sechs Millimeter lang.
„Wir waren selbst über den sehr gleichmäßigen Aufbau der Mikrosäulen überrascht“, sagt Vorkötter. Dabei ließen sich mit dem Laserverfahren nicht nur exakt senkrechte Säulen, sondern auch komplexere, geschwungene Keramik-Strukturen fertigen.
Reparaturen direkt bei der Turbine sind möglich
„Für die Wartung und Reparatur von Turbinenschaufeln, aber auch von Keramik-Elementen in Brennstoffzellen hat unser Verfahren ein großes Potenzial“, sagt Vorkötter. Im Unterschied zu anderen Beschichtungsmethoden für Keramiken benötigt es kein Vakuum und ließe sich daher einfacher anwenden.
Zudem könnte es aufgrund des niedrigen Energiebedarfs im Betrieb sogar flexibel direkt am Standort einer Gasturbine rund um den Globus eingesetzt werden. Zuvor müsse aber noch eine Weiterentwicklung und Zertifizierung stattfinden, wofür die Jülicher Forscher Partner aus der Industrie suchen.
Quelle: Forschungszentrum Jülich
