Einsatz von Nanolaminat-Schichten für Hochtemperaturanwendungen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Nadine Laska; Professor Jochen M. Schneider, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 512808854

Nanolaminate basierend auf MAX oder MAB Phasen (mit M=Übergangsmetall, A=A-Gruppenelement, X=Kohlenstoff oder Stickstoff und B=Bor) kombinieren einzigartige keramische und metallische Materialeigenschaften und versprechen ein enormes Potential für Hochtemperaturanwendungen. Innerhalb des vorliegenden Projektantrages soll die Herstellung von Al2O3 bildenden MAX/MAB (mit M=Cr/Ti and A=Al) Phasen basierten Schichten mittels unterschiedlichen PVD Techniken validiert und das Verhalten in trockener und feuchter Hochtemperaturatmosphäre analysiert werden. Erstmalig werden drei verschieden PVD Verfahren, das Hochleistungsimpulsmagnetronsputtern, DC und Reaktives Magnetronsputtern, sowie die Geschlossene Hohlkathodenbeschichtung in einem direkten Vergleich betrachtet. Diese einzigartigen Möglichkeiten, sowie die Kombination der drei Techniken ermöglichen Untersuchungen für ein grundlegendes Verständnis der Einflüsse der unterschiedlichen Prozessparameter auf das Verhalten der Nanolaminate. Die Schichten werden auf intermetallisches TiAl und keramisches SiC abgeschieden. Das Projekt fokussiert auf die Entwicklung eines schützenden thermisch gewachsenen Al2O3 bei Langzeit-Hochtemperaturauslagerungen. Eine Erhöhung der Lebensdauer der TiAl Legierung ist vielversprechend aufgrund der Stabilisation des Al2O3 durch das Al-reichere Substratmaterial und die Vermeidung der Zersetzung der MAX/MAB Phasenschicht durch eine Al-Verarmung aufgrund von Einwärtsdiffusion in das Grundmaterial. Zudem könnte die bekannte Degradierung der mechanischen Eigenschaften von TiAl durch alle bisher getesteten spröden Schutzschichten vermieden werden, wenn diese durch MAX/MAB Phasen basierte Schichten ersetzt werden. Im Fall von Siliziumkarbid ist ein Schutz gegen Wasserdampfkorrosion notwendig. Stand der Forschung sind hierfür bis zu 4-lagige EBC Systeme basierend auf Seltenerdensilikaten. Hinsichtlich eines nachhaltigen Einsatzes von Rohstoffen ist die Möglichkeit eines Ersatzes durch 1-lagige Aluminiumoxid bildende MAX/MAB Phasen Schichten motivierend. Der Fokus wird hierbei auf der Haftung der Nanolaminate auf dem vergleichsweise inerten, keramischen SiC bei Hochtemperaturauslagerungen liegen, sowie auf mögliche Interdiffusionsprozesse und einer optionalen Anpassung der Grenzfläche. Interdiffusionsprozesse zwischen den Nanolaminaten und dem SiC werden sowohl experimentell, als auch durch thermodynamische Simulationen evaluiert. Optional wird die Implementierung einer CTE angepassten, Al-reichen Zwischenschicht geprüft. AlN ist hierfür aufgrund eines CTE’s zwischen SiC und MAX/MAB Phase besonders prädestiniert. Letztlich werden zyklische Langzeitoxidationstests und Auslagerungen in wasserdampfhaltiger Atmosphäre der unterschiedlich beschichteten TiAl und SiC Substrate durchgeführt. Das mechanische Verhalten der beschichteten und unbeschichteten TiAl Legierung wird mittels Zug-, Ermüdungs- und Kriechversuchen bei Hochtemperaturanwendung geprüft.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Polen
• Partnerorganisation: Narodowe Centrum Nauki (NCN)
• Kooperationspartner: Bugoslaw Mendala, Ph.D.; Dr. Radoslaw Swadzba