Development of thermal spray processes with liquid feedstocks
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Beschreibung
Die Herstellung von Schichten mit einer Mikrostruktur im Submikrometer-Bereich mittels
thermischen Spritzens ist derzeit ein wichtiges Forschungsthema, um einzigartige und oft
verbesserte Schichteigenschaften im Vergleich zu herkömmlichen Schichten zu erzeugen. Das
Injizieren von Suspensionen mit keramischen Partikeln im Submikrometer-Bereich in den
Plasmastrahl oder die Flamme ermöglicht es, feinstrukturierte Schichten abzuscheiden. Solche
feinen Mikrostrukturen sind für eine Vielzahl von Anwendungen erwünscht, zum Beispiel im
Bereich von Wärmedämmschichten (WDS) für Gasturbinen. Suspensionsplasmagespritzte
(SPS) WDS zeigen einzigartige mechanische, thermische sowie optische Eigenschaften im
Vergleich zu herkömmlichen mittels atmosphärischen Plasmaspritzens (APS) hergestellten
WDS. Deshalb haben sie das Potenzial, unter hohen thermomechanischen Belastungen
erhöhte WDS-Leistungen zu erreichen.
Die Vorteile von SPS WDS aus Yttriumoxid stabilisiertem Zirkonoxid (YSZ) werden
dargestellt, zum Beispiel ihre sehr feine Porosität, ihre hohe Segmentierungsrissdichte und ihr
niedriges Elastizitätsmodul. Obwohl die Segmentierungsrisse die Thermozyklierung bei
1400°C aushalten, wurde gezeigt, dass die Sinterneigung bei solchen Temperaturen hoch ist.
Eine Verbesserung der SPS YSZ Mikrostruktur wurde durch eine deutliche Verringerung des
Anteils an unaufgeschmolzenen Clustern erreicht. Allerdings hat sich diese Verbesserung
nicht im Thermozyklierverhalten widergespiegelt. Durch weitere experimentelle
Entwicklungen konnte mittels modifizierter Spritzparameter eine YSZ Schicht mit
kolumnarer Mikrostruktur erzeugt werden. Diese Art von Mikrostruktur ist für WDSAnwendungen
vorteilhaft, da durch interkolumnare Hohlräume Dehnungen in Zugrichtung in
der Schichtebene während der Thermozyklierung ertragen werden können, ähnlich wie bei
WDS, die mittels „electron beam physical vapor deposition“ (EB-PVD) hergestellt werden.
Weitere Entwicklungen des SPS Prozesses mit Lanthan-Zirkonat (La2Zr2O7), einem neuen
vielversprechenden Material für WDS, führten zu Schichten, die durch die Verringerung der
Lanthanoxid-Verdampfung fast stöchiometrisch sind, bei gleichzeitig kolumnar-artiger
Mikrostruktur, die im Hinblick auf die Dehnungstoleranz vielversprechend ist.
Weiterhin wurde die Herstellung von Schichten aus Titanoxid mittels SPS untersucht. Ein
breites Spektrum von Mikrostrukturen mit spezifischem Anatas-Gehalt konnte erreicht
werden. Baumartige kolumnare Mikrostrukturen sind wegen ihrer hohen spezifischen
Oberfläche im Hinblick auf eine hohe Photoaktivität besonders attraktiv. SPS erwies sich als
vielseitiger Prozess mit einem hohen Potenzial für die Herstellung solcher Schichten.
Autor*in
Alexandre Guignard