Kriechverhalten von gerichtet erstarrten Mo-Werkstoffen mit und ohne Beschichtung; High temperature mechanical behavior of advanced directionally solidified multi-phase Mo-alloys

Im Rahmen des im Jahr 2020 begonnenen DFG-Gemeinschaftsprojekts wurden komplexe, mehrfunktionale Oxidationsschutz-Beschichtungssysteme zum Werkstoffschutz molybdän (Mo)-haltiger Refraktärmetall-Legierungen entwickelt. Solche Legierungen weisen höhere thermische Stabilitäten als die bislang als Turbinenwerkstoff eingesetzten Nickelbasis-Superlegierungen auf. Damit könnten sie bei hinreichender Langzeitstabilität in Turbinenanwendungen bei um 150 K höher liegenden Temperaturen betrieben werden, was eine Erhöhung des Turbinenwirkungsgrades zur Folge hätte. Als Problem erweisen sich jedoch die Oxidation von Mo und die Abdampfung als Mo-Oxid, was unweigerlich zur mechanischen Desintegration eines entsprechenden Bauteils führt und Schutzschichten von einigen zehn bis wenige hundert Mikrometer Dicke, bevorzugt mit Selbstheilungsfunktion gegen Rissentstehung in der Schicht, erfordert.
Ein solches Schichtsystem, bestehend aus einem sog. präkeramischen Polymer – einer oligomeren chemischen Verbindung, die sich durch Wärmebehandlung in eine Keramik umwandeln lässt –, partikulären Füllstoffen wie Silicium, Bor und hexagonalem Bornitrid, konnte in Langzeit-Oxidationsversuchen getestet werden und zeigt vielversprechende Eigenschaften auf ausgewählten Mo-haltigen Legierungen.
Da die Schichtdicken nicht unbegrenzt erweitert werden können, wurde zum o. g. Antrag ein Zusatzantrag gestellt, um das auf gefüllten präkeramischen Polymeren basierende Beschichtungsverfahren mit dem sog. pack cementation-Verfahren – ein Beschichtungsverfahren, bei dem schützende Komponenten wie Bor und Silicium mit Transportmitteln über Diffusionsprozesse in der Gasphase aus dem Pulverbett aufgebracht werden – zu kombinieren und somit a) die Schichtdicken und b) die Wirksamkeit der erhaltenen Schutzschichten weiter zu erhöhen. Erste Ergebnisse sind vielversprechend und zeigen, dass eine Kombination beider Verfahren zur Erzeugung von Oxidationsschutzschichten mit Schichtdicken von größer einhundert Mikrometern möglich ist. Die Arbeiten zur Kombination beider Verfahren werden im Rahmen eines von der DFG finanzierten Walter-Benjamin-Forschungsstipendiums systematisch untersucht.