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Wie versagen Turbinen?

Querschnitt durch die Oxidschichten einer Superlegierung

Seit Januar 2018 präsentieren wir an dieser Stelle monatlich ein spannendes Thema aus dem Bereich der Werkstoffwissenschaften.

Das „Thema das Monats“ ist einfach und verständlich erklärt und gibt aufschlussreiche Einblicke in die Forschungsaktivitäten unseres Departments.

Das Thema des Monats im Januar 2020 kommt aus dem Lehrstuhl für Mikro- und Nanostrukturforschung und hat den Titel:

Wie versagen Turbinen? – Ein Einblick in das frühe Stadium der Oxidation von Superlegierungen durch fortgeschrittene Elektronenmikroskopie

von Luise Schilde

Worum geht es bei dem Thema?

Sehen, was passiert – hochauflösende Elektronenmikroskopie macht es möglich. Dabei entstehen nicht nur schöne Bilder, es werden vielmehr wertvolle Informationen über essenzielle Materialeigenschaften gewonnen, um sie in technologisch anspruchsvollen Einsatzgebieten nutzbar zu machen. Am Lehrstuhl für Mikro- und Nanostrukturforschung (WW9) stehen hierfür modernste Elektronenmikroskope zur Verfügung, die Einblicke in die Struktur von Materialien auf der Nanometer-Skala ermöglichen. Die Arbeitsgruppe „High Temperature Materials“ forscht unter anderem an einem besseren Verständnis des Oxidationsverhaltens von Ni- und Co-Basis Superlegierungen, die in Gasturbinen zum Einsatz kommen. Die Oxidationsbeständigkeit dieser Legierungen ist eine entscheidende Voraussetzung dafür, dass die Turbinen im Langzeitbetrieb eingesetzt werden können. Die Forschung in der Hochtemperaturgruppe liegt dabei auf dem Einfluss von Legierungselementen und der Zwei-Phasen-Mikrostruktur (siehe Abbildung 1) auf die Oxidationsbeständigkeit.

 

Abbildung 1: Flugzeugturbine (links); zwei-Phasen-Mikrostruktur einer Superlegierung (rechts) [Quelle linke Abbildung: URL <https://www.rfae.org/spanish-aerospace-industry-on-flight>, 16.01.2020]

 

Einsatztemperaturen über 800 °C führen zu verstärkter Oxidation, welche aufgrund von verminderten Funktionseigenschaften der Oxide zu Materialversagen führen kann. Bisher werden Superlegierungen auf Ni-Basis eingesetzt. Reines Cobalt hat einen höheren Schmelzpunkt als Nickel, weshalb die Erforschung von Co-Basis Legierungen höhere Betriebstemperaturen und somit eine Effizienzsteigerung der Turbinen verspricht. Aktuell ist die Oxidationsresistenz von Co-Basis Legierungen jedoch noch sehr schlecht. Forschungsziel ist ein besseres Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen, das eine zielgerichtete Verbesserung der Legierungen ermöglicht.

Abbildung 2 zeigt schematisch die Probenpräparation eines Querschnittes durch eine Oxidationsschicht mithilfe eines fokussierten Ionenstrahls (Focus Ion Beam, FIB) bei gleichzeitiger Beobachtung mit einem Elektronenstrahl (kombiniertes FIB-Rasterelektronenmikroskop).

 

Abbildung 2: Herstellung des Querschnitts mit dem Focus Ion Beam

 

Ein typisches Oxidationsfrühstadium ist in Abbildung 3 dargestellt. Die verschiedenen Oxidphasen können mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) elementspezifisch sichtbar gemacht werden.

 

Abbildung 3: Querschnitt durch die Oxidschichten einer Superlegierung. Er zeigt die Entwicklung verschiedener Oxide während der frühen Stadien der Oxidation. Rechts: EDX Bilder zeigen die Verteilung der Elemente in der Oxidschicht.

 

Wo findet es Anwendung?

Superlegierungen sind das Material, aus dem Turbinenschaufeln für den Einsatz in Flugzeugen oder zur Stromerzeugung gefertigt werden. Das Wort „Super“–Legierung deutet bereits auf die besonderen Anforderungen an die Legierungseigenschaften hin. Sie zeichnen sich besonders durch ihre hohe Temperaturresistenz, welche weit über 800 °C liegt, und eine gute Beständigkeit gegen mechanische Belastungen aus. Oxidation kann diese herausragenden Eigenschaften mindern, so dass vor dem realen Einsatz eine entsprechende Oxidationsbeständigkeit garantiert sein muss. Turbinen erzeugen eine hohe CO2-Belastung für die Umwelt. Ihre Effizienzsteigerung durch verbesserte Materialeigenschaften kann zu einer Verminderung der Umweltbelastungen beitragen.

Was ist weiter geplant?

Aktuell erforsche ich in meiner Bachelorarbeit den Einfluss des Basis-Elements (Ni/Co) und des Zusatzes von Chrom auf das Oxidationsverhalten während der frühen Phasen der Oxidation. Dies ermöglicht, die weiteren Oxidationsmechanismen besser zu verstehen. Weitere Forschungsarbeiten fokussieren sich auf Legierungen mit bis zu 10 verschiedenen Elementen. Bereits der Zusatz eines weiteren Elements kann komplett neue Mechanismen hervorrufen, welche das Oxidationsverhalten grundlegend beeinflussen. Dadurch handelt es sich um ein sehr komplexes Thema, welches noch lange nicht vollständig verstanden ist und weiterhin viel Forschungsarbeit bedarf. Für interessierte Studenten ergeben sich im Bereich der Superlegierungen immer wieder abwechslungsreiche und interessante Forschungsfelder. Bei Interesse stehen die Mitglieder des Lehrstuhls für Mikro- und Nanostrukturforschung gerne zur Verfügung.

 

Zur Person:

Name: Luise Schilde

Studium: Materialwissenschaften und Werkstofftechnik (FAU) seit WS 2016/17, Bachelorarbeit am Lehrstuhl für Mikro- und Nanostrukturforschung

Forschungsgruppe: High-Temperature-Materials (Oxidation)

Hobbies: Reiten, Schwimmen, Breakdance

 

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