Entwicklung einer hochtemperaturbeständigen Multilagen-Oxidationsschutzschicht auf Basis von Al2O3 und Mo-Si-B

Abstract

Aufgrund des kontinuierlichen Wachstums des Flugzeugsaufkommens (Verdopplung bis 2036) und einer geforderten Reduktion von fossilen Brennstoffen ist die Entwicklung von effizienteren und leistungsstärkeren Turbinen ein zentrales Thema der Luftfahrtindustrie. Um den thermischen Wirkungsgrad zu steigern, werden eingesetzte Materialien durch höhere Drücke und höhere Temperaturen immer stärker belastet. Um ideale Verbrennungstemperaturen in den verschiedenen Druckstufen einer Turbine zu erreichen sind Entwicklungen für heißgaskorrosionsbeständige Materialien unumgänglich. Ein möglicher Ansatz um die Oxidationsbeständigkeit zu verbessern, ist der Einsatz von Schutzschichten, welche den Grundwerkstoff vor Umwelteinwirkungen und hohen Temperaturen schützen sollen. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Optimierung einer Multilagenschutzschicht auf Basis von (Al,W)2O3 und Mo Si B, um die Oxidationsbeständigkeit von γ TiAl zu verbessern. Die Schicht wird mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) abgeschieden, um temperaturinduzierte Effekte im Grundmaterial zu minimieren. Darüber hinaus soll ein Selbstheilungseffekt, basierend auf der Bildung von Borosilikaten, geprüft werden. Dies ist vor allem in Bezug auf das bekannte Pesting Phänomen von Molybdän basierenden Systemen interessant, da hier Silizium und Bor eingesetzt werden um die Oxidationsbeständigkeit zu verbessern. Im Allgemeinen ist Molybdän wegen seines hohen Schmelzpunktes und seiner guten mechanischen Eigenschaften sehr interessant. Nichtsdestotrotz kann es nicht alleine eingesetzt werden, da es schon bei 400 °C volatile Oxide bildet (MoO3) – um dieses Phänomen zu verhindern, werden Bor und Silizium zu Molybdän legiert. Aufgrund seiner Phasenumwandlungscharakteristiken bildet Mo Si B eine teilviskose Phase ((B,Si)2O3), die zur Rissschließung führen kann. Dieser Effekt soll nun in einer Multilagenstruktur aus (Al,W)2O3 und Mo Si B ausgenützt werden. Die Einflüsse unterschiedlicher Prozessparameter auf die Eigenschaften der Schicht wurden mittels Elektronenmikroskopie (SEM), Röntgenspektroskopie (EDX), X-Ray Diffraktometrie (XRD), Nanoindentation und durch optische Weißlichtinterferometrie untersucht. Durch eine Variation der Bilayerperiode (von 20 bis 500 nm für unsere Multilagen) können Härte, Wachstumsmorphologie, thermische Stabilität, und Oxidationsbeständigkeit eingestellt werden. Die Abscheidung der einzelnen Lagen erfolgt abwechselnd im PVD Prozess, was zu teilkristallinen γ-(Al,W)2O3 Phasen und amorphen Mo-Si-B Strukturen, bedingt durch wiederkehrendes Nukleieren, führt. Um den Selbstheilungseffekt zu prüfen, werden definierte Anrisse mittels Vickers-Härteprüfgerät eingebracht, die sich im optimalen Fall bei der Auslagerung schließen sollen. Dazu wurden bei drei verschiedenen Bilayerperioden von 500, 125, und 20 nm Oxidationsversuche bei 900 °C für 1, 10, 30 und 100 Stunden durchgeführt. Aus den Ergebnissen können wir schließen, dass der Aufbau einer Multilagenschicht auf Basis von Al2O3 und Mo Si B grundsätzlich möglich ist, jedoch die Bildung der teil viskosen Phase im untersuchten Temperaturbereich (TOx = 900 °C) nicht nachgewiesen werden konnte. Dies ist auf die Bildung von volatilem MoO3 sowie auf ein nicht optimiertes Silizium zu Bor Verhältnis zurückzuführen. Jedoch konnte gezeigt werden, dass bei allen Auslagerungsdauern und Bilayer Variationen eine Sauerstoffdiffusion in Richtung γ TiAl Substrat stark verlangsamt und die Kinetik positiv beeinflusst werden konnte.

Due to the continuous growth of air traffic (doubling by 2036) and reduced fossil resources the development of efficient and high-performance turbines became a central theme for the aviation industry. To improve the thermal efficiency, the applied materials are increasingly affected by higher pressures and temperatures. A lot of bulk materials cannot be used as they exhibit not proper resistance against oxidation in high temperature atmospheres. This is a major reason for the utilization of protective coatings, which should inhibit material degradation based on environmental effects, such as oxygen containing atmospheres at high temperatures. The aim of this study is the development and optimization of a multilayered protective coating system based on (Al,W)2O3 and Mo Si B to improve the oxidation resistance of γ TiAl. Furthermore, a self-healing effect based on the formation of partly viscous (B,Si)2O3 phases should be investigated in detail. The formation of these partly viscous phases is related to the Pesting phenomena, which is well known for Molybdenum based alloys. For refractory metals the alloying of Silicon and Boron inhibits the formation of volatile phases, e.g. MoO3, due to the formation of dense and partly viscous borosilicate based oxide scales. The depositions were carried out on a lab-scaled UHV unbalanced magnetron sputter system. By varying the bilayer period from 20 to 500 mm the hardness, growth morphology and thermal stability can be adjusted. The influences of different process parameters on the coating properties are examined using electron microscopy (SEM), X ray spectroscopy (EDX), X ray diffraction (XRD), nanoindentation and profilometry. To evaluate the proposed self-healing effects, defined cracks by Vickers indentation are generated on the surface of the deposited coatings. To initiate self healing thermal treatments at 900 °C for 1, 10, 30 and 100 h were conducted. Based on our results we can conclude that the deposition of a multi-layer coating based on Al2O3 and Mo Si B is generally possible. The proposed self healing effect could not be proofed within the investigated temperature range, due to a pronounced formation of volatile MoO3 suggesting a not perfectly adjusted Si to B ratio, especially with respect to the glass transition temperature. Nevertheless, all multilayered coatings investigated exhibited a strongly retarded oxidation kinetic and a minor or even no oxygen diffusion towards γ-TiAl.