Kann eine beschädigte TBC entfernt und neu aufgetragen werden, ohne das Grundmaterial zu schädigen?

Aus Sicht der Instandhaltungs-, Reparatur- und Überholungstechnik (MRO) ist das Entfernen und erneute Aufbringen von Wärmedämmschichten (Thermal Barrier Coatings, TBCs) ein etabliertes, standardisiertes Verfahren, das entscheidend zur wirtschaftlichen Lebensdauerverlängerung hochwertiger Turbinenkomponenten beiträgt. Wird es mit kontrollierten und validierten Prozessen durchgeführt, kann es ohne Schädigung des zugrunde liegenden Superlegierungs-Grundwerkstoffs erfolgen und die Komponente in einen neuwertigen bzw. betriebsfähigen Zustand zurückversetzen.

TBC-Entfernungsverfahren und Schadensvermeidung

Der Schlüssel zum erfolgreichen Entfernen liegt in der Wahl einer Methode, die die keramische und metallische Haftschicht aggressiv entfernt, ohne die Mikrostruktur des Substrats anzugreifen oder zu verändern.

1. Chemisches Abbeizen

Dies ist die häufigste und bevorzugte Methode zur Entfernung der keramischen YSZ-Deckschicht und der metallischen Haftschicht.

• Prozess: Die Bauteile werden in beheizte, gerührte chemische Bäder (z. B. heiße alkalische Lösungen oder spezielle Säuren) eingetaucht. Diese Lösungen sind so formuliert, dass sie das TBC-System auflösen, während sie Nickel- oder Kobaltbasis-Superlegierungen praktisch nicht angreifen.

• Schadenskontrolle: Der Prozess ist hochgradig kontrolliert. Chemie, Temperatur und Tauchzeit werden streng geregelt, um interkristalline Korrosion, Lochfraß oder Wasserstoffversprödung des Grundmaterials zu verhindern. Nach dem Abbeizen sind Inspektionen mittels fluoreszierender Eindringprüfung (FPI) obligatorisch, um die Integrität des Substrats zu verifizieren.

2. Mechanisches Entfernen

Wird selektiv eingesetzt, häufig nach chemischem Abbeizen, um hartnäckige Rückstände zu beseitigen.

• Prozess: Techniken umfassen Sandstrahlen mit weichen Strahlmitteln (z. B. zerkleinerte Walnussschalen oder Kunststoffgranulat) oder Hochdruckwasserstrahlen.

• Schadenskontrolle: Die Verwendung harter Strahlmittel (z. B. Korund) muss vermieden werden, da diese die Oberfläche plastisch verformen, Eigenspannungen induzieren oder Mikrokerben erzeugen können, die als Rissanrissstellen wirken. Ziel ist es, die Beschichtung zu entfernen, ohne das Substrat zu verformen oder zu beschädigen.

Kritische Nachinspektion und Beurteilung

Nach der Beschichtungsentfernung ist das Bauteil nicht automatisch bereit zur Neubeschichtung. Es wird einer gründlichen Inspektion unterzogen, um festzustellen, ob das Grundmaterial weiterhin verwendbar ist.

1. Maßprüfung: Das Bauteil wird vermessen, um sicherzustellen, dass es weiterhin den Konstruktionsvorgaben entspricht und keine signifikanten Maßverluste durch den Abbeizprozess entstanden sind.

2. Oberflächen- und Untergrundinspektion:

   • Visuelle Kontrolle und FPI: Zum Nachweis von Oberflächenrissen, Lochfraß oder Korrosion, die unter der Beschichtung verborgen waren.

   • Metallographische Analyse: Querschliffe aus Stichproben oder Opferbereichen werden untersucht, um suboberflächliche Mikrostrukturschäden wie Rekristallisation oder Kornwachstum aus dem Betrieb festzustellen.

3. Bewertung für Nacharbeit: Wenn Schäden festgestellt werden, kann das Bauteil zusätzliche Nacharbeitsprozesse erfordern, bevor eine Neubeschichtung erfolgt, z. B.:

   • Schweißreparatur: Zum Wiederaufbau verschlissener oder beschädigter Bereiche.

   • Wärmebehandlung: Zur Wiederherstellung der mechanischen Eigenschaften des Substrats, insbesondere bei Legierungen wie Inconel 718.

   • Nachbearbeitung: Wiederherstellung kritischer Maße und Oberflächen durch CNC-Bearbeitung.

Neubeschichtung und Qualitätssicherung

Sobald das Grundmaterial als einwandfrei bestätigt ist, beginnt der Neubeschichtungsprozess gemäß den gleichen strengen Oberflächenvorbereitungs- und Beschichtungsstandards wie bei einem Neuteil.

• Erneute Oberflächenvorbereitung: Das entlackte Teil durchläuft den vollständigen Vorbereitungsprozess – Entfettung, Strahlen und chemische Reinigung – um perfekte Haftung der neuen Haftschicht zu gewährleisten.

• Erneuerter Beschichtungsauftrag: Eine neue Haftschicht und eine YSZ-Deckschicht werden unter kontrollierten Bedingungen aufgetragen, häufig durch Anbieter mit NADCAP-Akkreditierung, um die höchsten Luft- und Raumfahrtqualitätsstandards zu erfüllen.

• Endprüfung: Das neu beschichtete Bauteil wird abschließend auf Schichtdicke, Haftung und Fehlerfreiheit geprüft, bevor es wieder freigegeben wird.

Technische Überlegungen und Grenzen

1. Anzahl der Zyklen: Komponenten können mehrere Entlackungs-/Beschichtungszyklen durchlaufen, es gibt jedoch eine praktische Grenze. Jeder thermische Zyklus im Betrieb und jeder Aufarbeitungsprozess reduziert die Lebensdauer des Grundmetalls, bis es nicht mehr die ursprünglichen Werkstoffeigenschaften erfüllt.

2. Wirtschaftliche Tragfähigkeit: Die Entscheidung zur Aufarbeitung ist wirtschaftlich motiviert – sie basiert auf dem Vergleich der Kosten für Entschichtung, Inspektion, eventuelle Reparaturen und Neubeschichtung mit den Kosten eines Neuteils.

3. Leistung neu beschichteter Teile: Ein korrekt überholtes Bauteil mit neuem TBC-System gilt als voll einsatzfähig. Die Leistung und Lebensdauer der neuen Beschichtung entsprechen der des Originals, vorausgesetzt, das Substrat ist in einwandfreiem Zustand.