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Keramische Einlaufbeschichtung Metallische Mikrostrukturen verbessern Triebwerkseffizienz

| Redakteur: Beate Christmann

Triebwerkhersteller Rolls-Royce Deutschland hat gemeinsam mit Fraunhofer-Forschern eine neue Turbineneinlaufbeschichtung für Flugzeugtriebwerke entwickelt. Nach eigener Aussage ist es mit Hilfe eines hochpräzisen Lasers gelungen, metallische Mikrostrukturen aufzutragen, die die Nickelbasislegierung mit der keramischen Oberfläche verklammert und somit die Lebensdauer der Beschichtung erhöht.

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Additiv-generativ gefertigte metallische Mikrostrukturen zur Verklammerung keramischer Wärmedämmschichten: Die Entwicklung der Forscher des Fraunhofer-IWS sowie von Rolls-Royce Deutschland soll dazu beitragen, Flugzeugturbinen länger haltbar und effizienter zu machen.
Additiv-generativ gefertigte metallische Mikrostrukturen zur Verklammerung keramischer Wärmedämmschichten: Die Entwicklung der Forscher des Fraunhofer-IWS sowie von Rolls-Royce Deutschland soll dazu beitragen, Flugzeugturbinen länger haltbar und effizienter zu machen.
(Bild: Fraunhofer-IWS)

Flugzeugturbinen sind extremen äußeren Einwirkungen ausgesetzt. So müssen sie extremen Temperaturwechseln von über 1000 °C standhalten. Dies betrifft auch die Beschichtungen der Triebwerke. Gemeinsam mit Rolls-Royce Deutschland hat das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS nun eine neue Turbineneinlaufbeschichtung entwickelt.

Metallische Mikrostrukturen verklammern Schicht mit Oberfläche

Wenn sich Bauteile unter Erhitzung ausdehnen, können aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien Spannungen entstehen, die ein Abplatzen der im Falle der Flugzeugtriebwerke keramischen Schicht von der Nickelbasislegierung zur Folge haben können. Zur Stärkung der Einlaufschicht haben die Wissenschaftler mit einem hochpräzisen Laser metallische Mikrostrukturen aufgetragen und somit Schicht und Oberfläche miteinander verklammert. Durch diese Maßnahme soll es gelungen sein, die Lebensdauer der Einlaufschicht zu erhöhen und die Wartungsintervalle der Bauteile zu verlängern.

Simulationen führten zu Lösungsansätzen

Zu Beginn der Kooperation hatten die Fraunhofer-Forscher für Werkstofftechnik und Additive Fertigung per Simulation von Wärmeleitung und -übergang Entwicklungspotenziale analysiert und Lösungsansätze aufgezeigt, um die Haftfestigkeit der Schichten zu erhöhen. Die Untersuchungen zeigten zusätzlich, dass gezielt eingebrachte Segmentierungsrisse in der keramischen Schicht helfen könnten, die Dehnungstoleranz der Schicht zu verbessern und somit die Neigung zum Abplatzen zu verringern. Ein präziser Laserauftragsschweißprozess war notwendig, um eine definierte dreidimensionale 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.

Die gemeinschaftlich von Rolls-Royce Deutschland und dem Fraunhofer-IWS im Rahmen der Luftfahrtforschungsprogramm-Vorhaben Holis-Turb und Lean-Turb entwickelten Technologien sollen dazu beitragen, zukünftige Triebwerksgenerationen effizienter und umweltverträglicher zu machen.

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