Wichtige Schritte zur Oberflächenvorbereitung vor einer zuverlässigen TBC-Beschichtung
Aus Sicht der Oberflächentechnik und Qualitätssicherung ist die Vorbereitung eines Superlegierungs-Substrats vor dem Aufbringen einer Wärmedämmschicht (Thermal Barrier Coating, TBC) oft entscheidender als der Beschichtungsprozess selbst. Verunreinigungen, ungünstige Oberflächentopografie oder suboberflächliche Schäden während der Vorbereitung führen unweigerlich zu vorzeitigem TBC-Versagen – unabhängig von der Qualität der eigentlichen Beschichtung. Der Ablauf ist daher ein mehrstufiger, streng kontrollierter Prozess, der perfekte Haftung und langfristige Stabilität des gesamten Beschichtungssystems sicherstellen soll.
Kritische Schritte der Oberflächenvorbereitung
1. Entfettung und chemische Reinigung
Dieser erste Schritt entfernt alle organischen Verunreinigungen, Öle und Rückstände aus der Fertigung, einschließlich derjenigen aus der CNC-Bearbeitung und Handhabung.
Prozess: Dampfentfettung, alkalische Reinigung oder Ultraschallreinigung in speziellen Lösungsmitteln.
Begründung: Jede Kohlenwasserstoffschicht bildet eine schwache Grenzschicht, die metallischen Kontakt verhindert und Hohlräume sowie Initiationspunkte für Abplatzungen (Spallation) schafft.
2. Mechanische Oberflächenaktivierung (Sandstrahlen)
Dieser Schritt ist entscheidend, um die optimale Oberflächentopografie für die mechanische Verankerung der Beschichtung zu schaffen.
Prozess: Das Bauteil wird mit scharfkantigem Strahlmittel (meist Korund) unter definiertem Druck und Winkel gestrahlt. Der Prozess wird nach Normen ausgeführt, um eine bestimmte Oberflächenrauheit (Ra) zu erreichen – typischerweise 3–5 µm (120–200 µin).
Begründung: Die aufgeraute Oberfläche vergrößert die Haftfläche erheblich und erzeugt Hinterschneidungen für mechanische Verankerung der Haftschicht. Gleichzeitig kann sie die oberflächennahe Zone kaltverfestigen. Der Prozess muss sorgfältig kontrolliert werden, um das Einbetten von Strahlmittel oder übermäßige Kaltverformung zu vermeiden.
3. Endreinigung und Entoxidation
Nach dem Strahlen ist eine präzise chemische Reinigung zwingend erforderlich.
Prozess: Oft erfolgt ein Säurebeizen oder chemisches Entschmieren, um mikroskopische Verunreinigungen, eingebettetes Strahlmittel und die unmittelbar nach dem Strahlen gebildete Oxidschicht zu entfernen.
Begründung: Das Strahlen legt frisches, hochreaktives Metall frei, das sofort oxidiert. Diese neu gebildete, schlecht haftende Oxidschicht muss unmittelbar vor dem Aufbringen der Haftschicht entfernt werden, um eine metallisch saubere Oberfläche zu gewährleisten. Bei Nickelbasis-Superlegierungen wie Inconel 718 wird dazu häufig eine schwach saure Entoxidationsbehandlung eingesetzt.
4. Auftrag der Haftschicht
Obwohl die Haftschicht Teil des Beschichtungssystems ist, stellt ihr Auftrag den abschließenden und kritischsten Schritt der Oberflächenvorbereitung für die keramische Deckschicht dar.
Prozess: Die Haftschicht (meist eine MCrAlY-Legierung oder eine Diffusions-Aluminid-Schicht) wird über kontrollierte Verfahren wie Vakuum-Plasmaspritzen (VPS) oder Elektronenstrahl-Physikalische Gasphasenabscheidung (EB-PVD) aufgebracht.
Begründung: Diese Schicht erfüllt zwei Hauptfunktionen: (1) Sie bietet Oxidationsschutz durch Bildung einer stabilen, langsam wachsenden Al₂O₃-Schicht (TGO) und (2) sie reduziert den thermischen Ausdehnungsunterschied zwischen Metallsubstrat und keramischer Deckschicht. Die Haftschicht muss in einer sauberen, sauerstofffreien Umgebung (Vakuum oder Schutzgas) aufgetragen werden, um die Bildung instabiler Oxide zu verhindern.
5. Oberflächenaktivierung der Haftschicht (optional, aber wichtig)
Vor dem Aufbringen der YSZ-Deckschicht kann die Haftschicht einer abschließenden Konditionierung unterzogen werden.
Prozess: Ein sehr leichtes Nachstrahlen oder eine kontrollierte Wärmebehandlung, um die Oberfläche der Haftschicht leicht aufzurauen und chemisch zu aktivieren.
Begründung: Dies erzeugt eine gleichmäßige, feine Rauheit auf der Haftschicht, verbessert die mechanische Verankerung der keramischen Deckschicht und sorgt für eine gleichmäßige Keimbildung der TGO.
Technische und qualitätssichernde Aspekte
Materialspezifität: Die genauen Reinigungschemikalien und Ätzparameter werden an die jeweilige Superlegierung angepasst, um selektives Ätzen oder Lochkorrosion kritischer Phasen zu vermeiden.
Prozessvalidierung und Rückverfolgbarkeit: Jeder Schritt muss dokumentiert und validiert werden. Für Luft- und Raumfahrtbauteile gilt die strenge Normierung nach NADCAP. Chargen des Strahlmittels, Sauberkeit und Prozessparameter werden vollständig protokolliert.
Zeitkritische Abläufe: Der Zeitraum zwischen Endreinigung und Auftrag der Haftschicht (insbesondere bei VPS/EB-PVD) wird auf wenige Stunden begrenzt, um eine Reoxidation der gereinigten Oberfläche zu verhindern.
Vorbeschichtungs-Inspektion: Nach der Vorbereitung erfolgt eine gründliche Inspektion (visuell, maßlich und ggf. mit Eindringprüfung), um sicherzustellen, dass keine Defekte vorhanden sind und die gewünschte Rauheit und Sauberkeit erreicht wurden, bevor das Bauteil in die Beschichtungskammer gelangt.
