Thermische Beschichtungsdienste: Hochtemperaturlegierungs-Thermobarrierebeschichtungen (TBCs)

Einführung: Wärmedämmschichten (TBCs) – Schutz für Hochtemperatur-Bauteile, wenn Metall allein nicht mehr ausreicht

Mit stetig steigenden Turbineneintrittstemperaturen, höheren Verbrennungsbelastungen und wachsendem Effizienzdruck können Grundwerkstoffe allein einen sicheren und wirtschaftlichen Betrieb nicht mehr gewährleisten. Thermal Barrier Coatings (TBCs, Wärmedämmschichten) haben sich zu einer Schlüsseltechnologie entwickelt, um Hochtemperatur-Bauteile über ihre bisherigen Einsatzgrenzen hinaus zu bringen. Durch das Aufbringen maßgeschneiderter keramischer Schichtsysteme auf Superlegierungen und andere hitzebeständige Substrate können TBCs die Metalltemperatur bei geeigneter Auslegung und Betriebsführung typischerweise um ca. 100–300 °C senken – und so Bauteillebensdauer und Zuverlässigkeit erhöhen sowie höhere thermische Wirkungsgrade ermöglichen.

Bei Neway sind unsere Thermal-Coating-Services genau auf dieses Ziel ausgerichtet: Präzisionsbearbeitung, moderne Beschichtungstechnologien und strenge Prozesskontrolle zu einem robusten, anwendungs­spezifischen TBC-Gesamtsystem zu integrieren – für Luft- und Raumfahrt, Energieerzeugung, Öl & Gas sowie anspruchsvolle industrielle Anwendungen.

Funktionsprinzipien von Wärmedämmschichten: Kernaufgaben & Wirkmechanismen

1. Wärmedämmung: Keramikschichten als Barriere für Wärmefluss

TBCs basieren auf keramischen Deckschichten mit sehr niedriger Wärmeleitfähigkeit (typisch 1–3 W/m·K), die als thermischer Schild zwischen heißem Gasstrom und metallischem Substrat wirken. Bei richtiger Auslegung (Werkstoff, Schichtdicke, Porosität, Mikrostruktur) sorgt diese Barriere dafür, dass:

• die Substrattemperatur deutlich abgesenkt wird,

• thermische Gradienten und thermische Ermüdung reduziert werden,

• höhere Gastemperaturen möglich sind, ohne das Grundmaterial neu auslegen zu müssen.

Neway passt Schichtdicke und Schichtarchitektur jeweils an die konkrete Anwendung an – mit einem Fokus auf das Gleichgewicht aus Isolation, Verformungstoleranz und Spannungsverteilung, statt „die Schicht einfach dicker zu machen“.

2. Schutz vor Hochtemperaturoxidation & Heißkorrosion

Über die reine Wärmedämmung hinaus reduziert ein gut ausgelegtes TBC-System auch:

• die Hochtemperaturoxidation von Nickel- und Kobaltbasislegierungen,

• Angriffe durch korrosive Spezies wie Sulfate, Vanadate oder Verunreinigungen in Brennstoff und Luft,

• mikrostrukturelle Schädigungsmechanismen, die sonst die Einsatzdauer deutlich verkürzen würden.

Gerade bei kritischen Superlegierungsbauteilen ist dieser chemische Schutz genauso wichtig wie die thermische Funktion.

Mehrschichtiger Systemaufbau: Jede Schicht erfüllt eine definierte Funktion

Keramische Deckschicht: Die eigentliche Wärmedämmschicht

Die äußere keramische Schicht basiert typischerweise auf yttriumstabilisierter Zirkonia (YSZ) und ist ausgelegt auf:

• niedrige Wärmeleitfähigkeit,

• Phasenstabilität im vorgesehenen Temperatureinsatzbereich,

• angepasste thermische Ausdehnung im Verbund mit den darunterliegenden Schichten,

• Porosität und Mikro­rissbildung, die Spannungen aufnehmen und thermische Schockbeständigkeit verbessern.

Bond Coat: Funktionale Brücke zum Substrat

Zwischen Keramik und Metall liegt die metallische Haftschicht (Bond Coat), häufig als MCrAlY-System (M = Ni, Co oder Ni/Co) ausgeführt. Sie:

• sorgt für eine hohe Haftfestigkeit der keramischen Deckschicht,

• bildet eine stabile Al2O3-TGO (Thermally Grown Oxide) als Schutzschicht,

• wirkt als chemische Barriere und Oxidationsschutz für die Grundlegierung.

Neway passt die Bond-Coat-Chemie an Legierungen wie Inconel 625, Hastelloy X, Rene 41 und andere an, um langfristige Kompatibilität und Stabilität sicherzustellen.

Kernprozess I: Atmosphärisches Plasmaspritzen (APS)

Prozessmerkmale

Das atmosphärische Plasmaspritzen ist eines der am weitesten verbreiteten Verfahren zur Applikation von TBCs. Pulverförmiges Beschichtungsmaterial wird im Plasmastrahl aufgeschmolzen oder teilaufgeschmolzen und mit hoher Geschwindigkeit auf die vorbereitete Oberfläche geschleudert. Bei Neway ermöglichen robotergeführte APS-Anlagen:

• gleichmäßige Schichtdicken auch auf komplexen Geometrien,

• fein einstellbare Porosität und lamellare Mikrostruktur,

• reproduzierbare Qualität für Einzelteile und Serienproduktion.

Typische Anwendungen & Leistungsprofil

• Gasturbinenschaufeln und -leitschaufeln, Brennkammerkomponenten, Transition-Pieces,

• industrielle Brenner- und Ofenkomponenten, Heißgaskanäle.

APS-Beschichtungen werden mit gezielt eingestellter Porosität und Mikro­rissen ausgelegt, um sowohl gute Wärmedämmung als auch hohe Verformungs- und Zyklenfestigkeit unter thermischer Wechsellast zu erzielen.

Kernprozess II: Elektronenstrahl-PVD (EB-PVD)

Einzigartige säulenförmige Mikrostruktur

Beim EB-PVD-Verfahren, das im Hochvakuum durchgeführt wird, verdampft ein Elektronenstrahl das keramische Beschichtungsmaterial, das anschließend auf der Bauteiloberfläche kondensiert und eine säulenförmige Körnigkeit ausbildet. Diese Struktur:

• nimmt thermische Dehnungen sehr gut auf,

• bietet hervorragende thermische Schockbeständigkeit,

• erzeugt extrem glatte, gasumströmte Oberflächen – ideal für aerodynamisch kritische Bereiche in Triebwerken.

High-End-Luft- und Raumfahrtanwendungen

EB-PVD-TBCs kommen häufig auf einkristallinen Turbinenschaufeln und -leitschaufeln in Luft- und Raumfahrttriebwerken zum Einsatz, wo Haltbarkeit, Gewicht, Kühlwirkungsgrad und Aerodynamik gleichermaßen missionskritisch sind. Neways EB-PVD-Fähigkeiten orientieren sich an den strengen Qualitäts- und Rückverfolgbarkeitsanforderungen der Luftfahrt.

Beschichtungswerkstoffe: Vom klassischen YSZ zu Keramiken der nächsten Generation

Yttriumstabilisierte Zirkonia (YSZ)

7–8 Gew.-% YSZ ist weiterhin der Branchenstandard, weil es:

• eine niedrige Wärmeleitfähigkeit bietet,

• gute Phasenstabilität im typischen Einsatztemperaturbereich zeigt,

• einen günstigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Verbund mit Nickelbasis-Superlegierungen aufweist.

Fortschrittliche keramische Werkstoffe mit Seltenen Erden

Um höhere Turbineneintrittstemperaturen und längere Laufzeiten zu ermöglichen, arbeitet Neway mit Forschungspartnern an selten­erdhaltigen Zirkonaten und anderen Hochleistungs-Keramiken, die eine noch geringere Wärmeleitfähigkeit und verbesserte Hochtemperatur-Phasenstabilität bieten – mit Blick auf künftige Aero- und Energieerzeugungsplattformen.

Qualitätssicherung: Wie wir die Zuverlässigkeit von TBC-Systemen validieren

Schichtdicke, Haftfestigkeit & Mikrostruktur

Unser Prüfwerkzeugkasten umfasst unter anderem:

• Ultraschall- oder Wirbelstrommessungen der Schichtdicke sowie metallografische Querschliffe,

• Haftzugversuche (typische Anforderungen ≥ 30 MPa, anwendungsspezifisch),

• Mikrostrukturanalysen: Lamellenaufbau, Porosität, TGO-Wachstum, Säulenstruktur (bei EB-PVD).

Thermische Zyklen- und Lebensdauertests

Wir führen thermische Zyklisierungs- und Schocktests unter repräsentativen Bedingungen durch – mit realitätsnahen Spitzen­temperaturen, Haltezeiten, Aufheiz- und Abkühlraten sowie Kühlmethoden. Diese Tests machen typische Versagensmechanismen sichtbar, etwa:

• TGO-Wachstum und -Rissbildung,

• Abplatzungen der keramischen Deckschicht (Spallation),

• Degradation der Grenzflächen.

Kernanwendungsfelder

Luft- und Raumfahrttriebwerke

TBCs werden u. a. eingesetzt auf:

• Turbinenschaufeln und -leitschaufeln,

• Brennkammerauskleidungen, Transition-Ducts, Shrouds,

• Düsen und heißen Bauteilen von Nachbehandlungssystemen.

Für Komponenten aus Inconel 718 und ähnlichen Legierungen bietet Neway integrierte Lösungen aus Bearbeitung + Beschichtung, die Luftfahrtstandards gerecht werden.

Energieerzeugung & industrielle Hochtemperatursysteme

In stationären Gasturbinen und Hochtemperatur-Prozessanlagen tragen TBCs dazu bei:

• den Turbinenwirkungsgrad zu erhöhen,

• Inspektionsintervalle zu verlängern,

• kritische Heißgas-Komponenten in chemischen, metallurgischen und thermischen Prozessen zu schützen.

Wesentliche Auslegungsaspekte vor dem Einsatz von TBCs

1. Kompatibilität von Substrat & Bond Coat

Wir bewerten unter anderem:

• Legierungszusammensetzung und vorangegangene Wärmebehandlung,

• Temperaturfenster und Lastkollektiv im realen Betrieb,

• Oxidations- und Heißkorrosionsbeständigkeit von Substrat und Bond-Coat-System.

2. Einsatzumgebung & Lastprofil

Die Beschichtungs­auslegung wird abgestimmt auf:

• maximale und zyklische Temperaturen,

• Gaszusammensetzung (Brennstoffverunreinigungen, korrosive Spezies),

• mechanische Belastungen, Vibrationen, Erosion und FOD-Risiko (Foreign Object Damage).

Für Öl- &-Gas- und Nuklearanwendungen berücksichtigen wir zusätzliche Randbedingungen wie Strahlungsstabilität und spezielle Korrosionsmechanismen.

Neways integrierte TBC-Lösungen: Vom zerspanten Rohteil bis zum beschichteten Serienbauteil

Neway bietet einen durchgängigen Ansatz:

• präzise CNC-Bearbeitung von Superlegierungen, Titan und hitzebeständigen Stählen,

• engineering­seitig ausgelegte Oberflächenvorbereitung: Strahlen, Maskieren, Sauberkeits- und Rauheitskontrolle,

• anwendungs­spezifische TBC-Systeme über APS und EB-PVD,

• metallurgische Prüfungen, Maßkontrolle und Lebensdauertests,

• ein robustes Serienfertigungs-Framework mit vollständiger Rückverfolgbarkeit zur Unterstützung von OEM-Programmen in Luft- und Raumfahrt, Energie und Industrie.

Dieses One-Stop-Modell verkürzt Lieferzeiten, reduziert technische Risiken und stellt sicher, dass die Beschichtungsperformance von Anfang an in das Bauteildesign integriert wird – und nicht erst am Ende „aufgebracht“ wird.

FAQ

1. Wie stark kann eine gut ausgelegte TBC die Metalltemperatur in Turbinen tatsächlich senken?

2. Wie lange ist die typische Einsatzdauer von TBCs unter realen Motor- oder Turbinenbedingungen?

3. Welche typischen Versagensarten treten bei TBCs auf – und wie lassen sie sich durch Design und Prozessführung minimieren?

4. Welche Oberflächenvorbereitungsschritte sind notwendig, bevor ein zuverlässiges TBC-System aufgebracht wird?

5. Können beschädigte TBCs entfernt und erneut appliziert werden, ohne das Grundbauteil zu schädigen?