Hochtemperatur-Wärmedämmschicht

Eine Hochtemperatur-Wärmedämmschicht ist eine Oberflächenbeschichtung, welche die Einwirkung von Wärme in Hochtemperaturwerkstoffe verringert. Durch Hochtemperatur-Wärmedämmschichten soll die Wärmeeinbringung von einem heißen Umgebungsmedium in den Konstruktionswerkstoff oder auch umgekehrt reduziert werden. Die Schutzschichten übernehmen somit die Funktion einer Wärmedämmung für die Bauteile. Dies hat den Zweck thermische Spannungen und Materialermüdung infolge Temperaturbelastungen zu verringern. Somit stellen diese Schutzschichten eine Maßnahme zur Erhöhung der Wirkungsgrade und Lebensdauern von Maschinen und Anlagen dar.

Anwendung finden Hochtemperatur-Wärmedämmschichten in der Energietechnik, im chemischen Apparatebau, der Automobilindustrie sowie der Luftfahrt und Raumfahrt. In diesen Anwendungsbereichen werden beispielsweise Beschichtungen auf Turbinenschaufeln von Gasturbinen, Dampfturbinen oder Triebwerken aufgebracht. Ebenso werden Brennkammern, Ventile oder Zylinderköpfe mit derartigen Schutzsystemen versehen. Die Aufbringung der Hochtemperatur-Wärmedämmschichten erfolgt dabei durch das Fertigungsverfahren Beschichten, wobei häufig die chemische Gasphasenabscheidung oder die physikalische Gasphasenabscheidung zum Einsatz kommen.

Hinsichtlich der Eigenschaften werden zahlreiche Anforderungen an Hochtemperatur-Wärmedämmschichten gestellt. Diese müssen über eine geringe Wärmeleitfähigkeit verfügen und eine ähnliche Temperaturausdehnung wie der Grundwerkstoff aufweisen. Die Beschichtungen müssen gut am Grundwerkstoff haften und einen ausreichenden Widerstand gegenüber Abrieb und Verschleiß besitzen. Sie müssen eine hohe chemische Beständigkeit, besonders gegenüber Erosionskorrosion und Hochtemperaturkorrosion, aufweisen. Zusätzlich sollte die Aufbringung kostengünstig und reproduzierbar möglich sein.

Um all diese Anforderungen zu erfüllen werden meist mehrlagige Beschichtungssystem auf die Bauteile aufgebracht, wobei jede einzelne Schicht bestimmte Aufgaben erfüllt. Direkt auf das eigentliche Bauteil wird dabei eine Haftvermittlerschicht aufgebracht, darüber eine Oxidationsschutzschicht und als oberste Lage folgt die eigentliche Wärmedämmschicht. Die Haftvermittlerschicht stellt hierbei den Kontakt zum Bauteil her und sorgt für die gute Haftung der weiteren Schutzschichten. Zusätzlich liegt ihr thermischer Ausdehnungskoeffizient meist zwischen dem des Bauteils und den darauffolgenden Schutzschichten, um thermische Spannungen in den einzelnen Beschichtungslagen zu reduzieren. Die Oxidationsschutzschicht soll die Hochtemperaturkorrosionsbeständigkeit des Bauteils gewährleisten. Es handelt sich hierbei um eine Art der Hochtemperatur-Korrosionsschutzschicht. In manchen Beschichtungssystemen wird auf diese separate Schutzschicht verzichtet und die Haftschicht übernimmt zusätzlich noch den Oxidationsschutz des Grundwerkstoffes. Als Wärmedämmschicht kommen meist komplexe Keramikschutzschichten zum Einsatz, welche die Wärmedämmung sicherstellen sollen. Dabei handelt es sich häufig um Zirkondioxidschichten, die beispielsweise mit Yttriumoxid stabilisiert werden. Oftmals reichen Hochtemperatur-Wärmedämmschichten alleine nicht aus, um die Wärmeeinbringung in Bauteile durch heiße Prozessgase ausreichend zu reduzieren. In diesen Fällen kommen in den Bauteilen zusätzliche Kühlkanäle zur Anwendung.

Englische Übersetzung(en):

high temperature thermal barrier coating