TBC-Beschichtungen bis >650°C

Seit 2019 beschäftigt sich WZR mit dem Thema TBC-Systeme (Thermal Barrier Coating). Ziel solcher Beschichtungen ist es, das Substrat (typischerweise Metalle) vor hohen Temperaturen zu schützen. Dies wird erreicht durch Einsatz von temperaturbeständigen Materialien mit sehr geringer Wärmeleitfähigkeit. Die Anwendungstemperatur solcher Systeme liegt deutlich höher als bei bisher entwickelten Beschichtungssystemen, die WZR als CerCoat®-H, -Y und -P bezeichnet. All diese Systeme basieren auf Sol-Gel-Verfahren, die eine minimale Einbrenntemperatur von 190°C erfordern und eine maximale Einsatztemperatur von ca. 450°C besitzen.

Die neuentwickelten hochtemperaturbeständigen Beschichtungen werden jetzt als CerCoat®-HT bezeichnet. Die Basis ist eine keramische Suspension, die mit speziellen Bindern eine Haftung an metallischen Substraten ermöglicht. Durch einen Einbrennprozess zwischen 500°C und 650°C wird eine temperaturbeständige Bindung erreicht, wodurch die spätere Anwendungstemperatur bis min. 650°C gewährleistet ist.

Aufgrund der niedrigen Wärmeleitfähigkeit und der speziellen Struktur gilt Y₂O₃-stabilisiertes ZrO2 (YSZ) als das am häufigsten verwendete Material für TBC-Systeme. WZR verfolgt den Ansatz, Al₂O₃ mit speziellen Hohlkugeln zu mischen und hierdurch eine hohe Wärmedämmung bei gleichzeitig hoher Temperaturbeständigkeit zu erreichen.

Das neue Beschichtungssystem kann sowohl mittels Dip-Coating wie auch mittels Spray Coating aufgebracht werden. Spray-Coating wird häufig bevorzugt, da hierdurch das Beschichten komplexer Geometrien möglich ist und die Schichtdicke nach Belieben variiert werden kann

Unsere TBC-Schichten zeichnen sich durch folgende Eigenschaften aus:

• Niedrige Wärmeleitfähigkeit von ca. 0,4 W/m K @ 700°C
• Schichtdicke von 100 bis 200 µm
• Einbrenntemperatur getestet bis 650°C
• Sehr gute Haftung gemessen mittels Gitterschnitttest: Bewertung mit 0 bis 1 nach ISO 2409
• Sehr gute Temperaturwechselbeständigkeit ermittelt in Thermoschocktests
• Auslagerung von Proben für 100h bei 600°C: ohne Auffälligkeit

Sowohl Dip-Coating als auch Spray Coating sind als Beschichtungsverfahren geeignet. Spray-Coating wird häufig bevorzugt, da dadurch das Beschichten komplexer Geometrien möglich ist und die Schichtdicke nach Belieben aufgetragen werden kann.

Die Bewertung des Gitterschnitttests erfolgte nach DIN EN ISO 2409 und ASTM 3359. In der folgenden Abbildung ist links ist der verwendete GS-Prüfer abgebildet. Die Abbildung in der Mitte zeigt eine geprüfte Probe in der Übersicht, die rechte Abbildung zeigt die Oberfläche in 25facher Vergrößerung. Gut zu erkennen ist die sehr gute Haftfestigkeit der Beschichtung am Substrat.