Beschich­tungen schützen Trieb­werks­bau­teile

Beschichtungen schützen Trieb­werks­bau­teile vor zu hohen Temperaturen, bewahren sie vor chemischen An­griffen und rapider Erosion durch Sand und Stäube. Auf dem Weg zu effizienteren Flug­an­trieben mit höheren Ver­bren­nungs­temperaturen und einem wirt­schaft­lichen Betrieb sind sie zur Schlüssel­tech­nologie geworden.

05.2017 | Autor: Denis Dilba

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Denis Dilba, studierte Mechatronik, besuchte die Deutsche Journalisten­schule und gründete das digitale Wissen­schafts­magazin Substanz. Er schreibt über ver­schiedenste Themen aus Technik und Wissen­schaft.

Ausgenommen aggressiver Vulkan­asche, „die sowieso immer um­flogen werden sollte“, sagt Dr. Frank Seidel, kenne er eigent­lich nur eine Sache, die einem Trieb­werk im normalen Flug­all­tag noch mehr zusetzt als Sand: flüssiger Sand. Der kann flüssig werden? „Oh ja“, sagt der Leiter Repair En­gi­neer­ing bei der MTU Main­tenance in Han­nover, „bei Tem­pe­ra­turen um die 1.500 Grad Cel­si­us in der Brenn­kam­mer eines modernen Flug­trieb­werks schmilzt Sand einfach weg.“ Und was die Körn­chen dann mit­unter an­richten, konnten Seidel und seine Kol­le­gen bis vor kurzem bei ihren Re­pa­ra­turen immer wieder be­ob­ach­ten. Da klafften teil­weise zen­ti­me­ter­große Löcher in der Brenn­kammer. Diese Durch­brand-Schäden ent­stehen, wenn die heiße Sand­schmelze mit der Hitze­schutz­schicht reagiert und diese so zum Ab­platzen bringt. Genau an diesen Stel­len brennt dann das Ma­te­ri­al weg. Ähnliches müssen die Schau­feln der Hoch­druck­tur­bine direkt nach der Brenn­kammer erleiden.

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Vor der Reparatur Brenn­kammer­bauteil eines CF6-80C2.

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Vor der Reparatur Brenn­kammer­bauteil eines CF6-80C2.

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Abgeplatzt Schäden an der Hitze­schutz­schicht in der Brenn­kammer eines CF6-80C2.

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Abgeplatzt Schäden an der Hitze­schutz­schicht in der Brenn­kammer eines CF6-80C2.

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Wieder hergestellt CF6-80C2-Brenn­kammer mit Thermal Barrier Coating.

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Wieder hergestellt CF6-80C2-Brenn­kammer mit Thermal Barrier Coating.

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Fast wie neu Thermal Barrier Coating in der CF6-80C2-Brenn­kammer.

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Fast wie neu Thermal Barrier Coating in der CF6-80C2-Brenn­kammer.

CMAS-resistente Hitzeschutzschicht

Oft müssen Flug­zeuge, die solche Schä­den an den Trieb­werken auf­weisen, sogar in kür­zester Zeit die be­trof­fenen Engines außer­plan­mäßig aus­tauschen lassen. Und da man das Trieb­werk an­schlie­ßend für die Re­pa­ra­tur zeit­auf­wändig aus­ei­nan­der­bauen muss, steigen die Aus­gaben noch weiter in die Höhe. Dass solche mas­siven Schadens­fälle bei MTU-Kunden in sandigen Ge­genden künftig seltener werden, liegt an einer neuen Ent­wick­lung der MTU Aero Engines: einer Hitze­schutz­schicht, die dem flüs­sigen Sand weit­gehend wider­stehen kann. Die so­ge­nannte CMAS-re­sis­tente Hitze­schutz­schicht – das Buch­staben­kürzel steht für Cal­ci­um-Ma­gne­si­um-Alu­minum-Sili­cates, den Haupt­bestand­teilen von Sand – ist nur ein Bei­spiel für die Leistungs­fähigkeit und Viel­falt der bei der MTU ein­ge­set­zten Be­schich­tungs­systeme. Übliche Thermal Barrier Coatings be­stehen aus einem me­tal­lischen Kor­ro­si­ons­schutz und einer da­rü­ber lie­genden Schicht aus Yttrium teil­sta­bi­li­sie­rtem Zirkonoxid (YSZ), einer mikro­po­rösen Ke­ra­mik. „Dieses Oxid­ke­ra­mik leitet nur sehr schlecht Wär­me weiter und hält die mit Luft ge­kühlten Bau­teile auf nied­rigeren Tem­pe­ra­turen“, erklärt Seidel. Kommt YSZ al­ler­dings mit ge­schmol­zenem Sand in Kontakt, saugt es sich voll, ver­härtet und platzt ab. Daher hat Seidels Team über das YSZ eine weitere Schicht plat­ziert, die so mit der Sand­schmelze rea­giert, dass die Wärme­dämmung erhalten bleibt. „Das Knifflige daran war, nach­zu­weisen, dass die normale Hitze­schutz­schicht unter dem zu­sätz­lichen CMAS-Schutz auch dann tadel­los funk­ti­o­niert, wenn man nicht in Ge­bieten mit viel Sand fliegt – sonst hätten wir keine Zu­las­sung dafür be­kom­men“, sagt Seidel. „Wer in heutigen Trieb­werken nach einem Bau­teil sucht, das nicht be­schich­tet ist, muss tat­säch­lich etwas suchen“, sagt Dr. Jörg Eßlinger, Leiter Werk­stoff­technik bei der MTU in München.

Mehr als die Hälfte der Bauteile im Triebwerk sind beschichtet

„Mehr als die Hälfte sind näm­lich bereits in der einen oder anderen Art be­schich­tet.“ Die eine große Grup­pe der Be­schich­tungen wird vor allem gegen Ab­rieb ein­ge­setzt. Der kann einer­seits durch ein­ge­sogenen Sand und Staub ent­stehen, die auf Trieb­werks­bau­teile wie ein Sand­strahl­gebläse wirken, ander­seits aber auch dadurch, dass sich Bau­teile ge­gen­ei­nan­der bewegen und reiben, bei­spiels­weise Schau­feln und Ge­häuse­teile. Die andere große Be­schich­tungs­gruppe hat die Auf­gabe, vor heißem Gas und chemischen An­grif­fen auf die Werk­stoffe zu schützen, wie bei­spiels­weise dem von flüs­sigem Sand. Der Anteil von Be­schich­tungen wird in Zu­kunft noch weiter wachsen, ist sich der Ex­perte sicher. Das liegt vor allem daran, dass eine der wenigen Möglich­keiten, die man über­haupt noch hat, die Effi­zienz von Trieb­werken zu steigern, darin liegt, die Ver­bren­nung noch heißer ab­laufen zu lassen. Eine Heraus­for­de­rung, die die Trieb­werks­ma­te­ri­alien ohne bessere und leistungs­fähigere Be­schich­tungen nicht meistern können: „Schon heute wären die meisten Ma­te­ri­alien ohne High­tech-Schich­ten nicht ein­satz­fähig“, sagt Seidel.

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Beschichtungen im Triebwerk

Mehr als die Hälfte der Bauteile im Triebwerk sind zum Schutz gegen hohe Temperaturen, chemische Angriffe und Erosion in der ein oder anderen Art beschichtet. Zur Interaktion ...

Dazu komme noch ein weiterer Aspekt, sagt Thomas Dautl, Leiter Fertigungs­tech­no­logien bei der MTU: „Mit insgesamt wartungs­ärmeren Trieb­werken rechnet sich das Fly-by-Hour-Geschäfts­modell besser.“ Dabei bezahlen die MTU-Kunden für die Flug­stunden, die das Trieb­werk geleistet hat, eine Gebühr, die sowohl die plan­mäßige In­stand­haltung als auch un­geplante Repara­turen be­inhaltet. „Ähnlich wie bei einer Versicherung“, so Dautl. „Je weniger un­ge­plante Schäden auf­treten, desto besser für den Kunden und desto mehr Kosten­er­sparnis für uns.“ Das funktioniere nur, weil die MTU zunächst investiert, erklärt Dautl. „Aber der Hebel ist gigan­tisch, weil sie damit die Lebens­dauer eines Bau­teils um den Faktor zwei bis drei erhöhen können“, so der Fertigungs­experte.

Aufgedampfte Elastizität

Auch der MTU-Erosions­schutz ERCoatnt® trägt dazu seinen Teil bei. „Die Be­schich­tung für Hoch­druck­ver­dich­ter­lauf- und -leit­schaufeln bietet einen sechs- bis zehn­fach bes­seren Wider­stand vor Ero­si­on als un­be­han­delte Bau­teile“, sagt Werk­stoff­experte Eßlinger. In Ge­bieten mit viel Sand, Staub und Aero­solen in der Luft, wie dem Mit­tleren Os­ten oder Indien, muss ein Ero­si­ons­schutz aber auch so gut sein: „Ohne Be­schich­tung kommt es hier bereits nach wenigen Flug­stun­den zu einem Material­abtrag an den Schau­feln und den damit ver­bun­denen Per­for­mance­ver­lusten des Trieb­werks“, sagt Eßlinger. Damit ERCoatnt® dem Partikel-Dauer­beschuss besonders gut stand­hält, haben die MTU-Ent­wickler den Abrieb­schutz als Mehr­schicht­system aus­gelegt. Jeweils zwei Be­schich­tungen im Wechsel werden dazu auf die Schau­feln auf­ge­bracht. Insgesamt rund 15 Schich­ten, jede wenige Mikro­meter dick und immer Me­tall­nitrid gefolgt von Me­tall. So wird ein Di­lem­ma auf­gelöst, das der her­kömm­liche Ero­si­ons­schutz bisher mit­brachte: Legt man ihn hart aus, schützt er gut vor Ab­rieb, ver­größert aber auch die Ge­fahr der Keim­bildung für Risse. Macht man ihn weicher, mindert man dieses Risiko zwar, al­ler­dings zu Lasten der Lebens­dauer der Schicht.

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MTU-Erosionsschutz ERCoat

Die neue Schutzschicht ERCoatnt® verringert die Erosion im Verdichter, sie bietet einen sechs- bis zehnfach besseren Widerstand als unbehandelte Bauteile. Zum Video ...

In ERCoatnt® wechseln daher harte und weiche Schich­ten ab. „Das sorgt dafür, dass der Ero­si­ons­schutz eine gewisse Plas­ti­zi­tät besitzt und damit bei Sand-und-Staub-Be­schuss nicht so schnell anreißt“, sagt Dautl. Und falls doch, könne sich der Riss auch nicht un­kon­trol­liert ver­größern, da ihn die weiche Schicht stoppt. Im Lauf der Bau­teil­lebens­dauer werden die einzelnen Schich­ten nach­ein­ander ver­braucht und bieten auch auf den letzten Mikro­metern noch aktiven Schutz. „Und dann bringen wir das Schicht­system einfach wieder neu auf“, sagt Repair-Ex­perte Seidel. Dazu setzt die MTU auf das Physi­cal-Va­pour-Depo­si­tion-Ver­fahren, kurz PVD. Dabei werden die je­wei­ligen Schicht­ma­terialien im Va­ku­um ver­dampft und schlagen sich an­schließend auf dem Bau­teil nieder. „Je länger wir eine Schau­fel im Dampf lassen, desto dicker wird die Schicht darauf“, erklärt Seidel.

Aluminium-Chrom für die Niederdruckturbine

Deutlich längere Bau­teil­lebens­dauer ver­spricht auch eine neue und vor allem für alle Stufen der Nieder­druck­turbine ge­dachte Alu­min­ium-Chrom-(AlCr)-Be­schich­tung. Sie schützt gleich­zeitig vor Oxi­dation bei Tem­pe­ra­turen ober­halb 900 Grad Cel­sius und vor Sulfi­da­tion bei 700 bis 900 Grad. Mit letz­terem Be­griff werden che­mische Re­ak­ti­onen be­zeich­net, die das Ma­terial an­greifen und bei denen Schwe­fel als Ka­ta­ly­sa­tor wirkt. In einem von der MTU pa­ten­tie­rten Ver­fahren wird gezielt sowohl Chrom als auch Alu­min­ium in die Schau­fel­ober­fläche ein­ge­bracht, um je nach An­for­de­rung lokal (also ent­spre­chend des Tem­pe­ra­tur­pro­fils des Bau­teils) gezielt gegen Oxi­da­tion und Sulfi­da­tion zu schützen, sagt MTU-Werk­stoff­technik­chef Dr. Jörg Eßlinger. „Das gibt unseren Kunden Fle­xi­bi­li­tät und in jedem Fall einen vier­mal bes­seren Schutz gegen Sulfi­da­tion als bisher.“

Immer spezifischere Schichten

So eine einstellbare AlCr-Schicht ist für Uwe Schulz vom Institut für Werk­stoff­forschung am Deutschen Zentrum für Luft- und Raum­fahrt in Köln ein Ausblick auf das, was kommt. Der Leiter der Abteilung für Hoch­temperatur- und Funktions­schichten rechnet damit, dass künftig nicht nur mehr Bau­teile beschichtet werden, sondern diese auch deutlich spezifischer. „Einerseits, weil man mehr Möglich­keiten durch ein wachsendes Ver­ständnis von Wirk­mechanismen hat und bestehende Schichten so verbessern kann, dass Trieb­werke noch ein Stück effizienter arbeiten, anderer­seits, weil man bei neuen Werk­stoffen dazu gezwungen wird“, so Schulz. So versprechen etwa faser­verstärkte Keramiken ein großes Ver­besserungs­potenzial bei Wirt­schaftlich­keit, Lebens­dauer und Gewicht für die Trieb­werke von morgen. „Aber auch solche Keramik­werk­stoffe brauchen zusätzliche Schutz­schichten“, sagt Schulz. An den unscheinbaren Schichten mit der großen Wirkung führt auch in Zukunft kein Weg vorbei.

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