Wenn die Turbine sich selbst repariert: Neue Beschichtung heilt Risse bei 800 °C
Gasturbinen arbeiten bei extremer Hitze, und Temperaturwechsel setzen ihren Schutzschichten zu. Ein Forschungsteam aus Kanada, Deutschland und den USA hat eine Beschichtung entwickelt, die diese Risse im Betrieb selbst füllt.
Flugtriebwerk im Zweitjob: Diese Gasturbine verdichtet Erdgas in einer LNG-Anlage.
Foto: picture alliance / Zoonar | Olga Kostrova
Flugzeugtriebwerke haben Verwandte am Boden. Hersteller leiten aus ihnen stationäre Gasturbinen ab, die Kraftwerke antreiben oder Erdgas verdichten. Das Arbeitsprinzip bleibt dasselbe, die Extreme auch: In der Brennkammer herrschen bis zu 1500 °C, mit weit über 1000 °C schießt das expandierende Gas auf die ersten Schaufelreihen, deren Spitzen sich knapp unter Schallgeschwindigkeit bewegen. Ob in der Luft oder am Boden: Die Werkstoffe arbeiten am Limit.
Für das Material ist aber nicht nur die Hitze selbst das Problem, sondern der Lastwechsel. Bei jedem Anfahren und Abkühlen dehnen sich Bauteile und ihre Schutzschichten unterschiedlich stark aus. In den Schichten entstehen Risse, die bislang nur eines bedeuten: Wartungsaufwand.
Forschende aus Kanada, Deutschland und den USA haben nun eine Keramikbeschichtung entwickelt, die solche Risse bei Betriebstemperatur selbst repariert. Bei 800 °C wandert überschüssiges Kobaltoxid in die Risse und füllt sie auf. Die Ergebnisse hat das Team um Andre Mayer von der Concordia University in Montreal, an dem auch Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM beteiligt waren, im Fachjournal Communications Materials veröffentlicht.
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Wann Risse in Schutzschichten zum Problem werden
Gasturbinen gelten in der deutschen Energiepolitik als flexible Reserve: Sie sollen vor allem dann einspringen, wenn Wind und Sonne schwächeln, etwa in einer Dunkelflaute. Je nach Marktlage kann das bedeuten, dass eine Anlage tagelang durchläuft oder dass sie in kurzen Abständen hoch- und wieder heruntergefahren wird.
Für die Wartung ist deshalb neben den Betriebsstunden vor allem die Zahl der Startzyklen relevant. Jeder Zyklus bedeutet einen kompletten Temperaturhub, und mit jedem Hub wächst das Risiko, dass Schutzschichten Risse bekommen oder abplatzen. Bei Inspektionen wird geprüft, welche Bauteile im Heißgaspfad getauscht werden müssen. Das kostet Zeit und Geld, denn eine stillstehende Turbine liefert keinen Strom.
Wenn Oxide schützen statt schaden
Bestimmte Superlegierungen auf Kobaltbasis bilden im Betrieb eine dünne, glasartige Schutzschicht aus Oxiden. Fachleute sprechen von Glaze Layers, also Glasurschichten. Oxide kennt man sonst als Schadensfall; der Klassiker ist Eisenoxid oder Rost.
Die untersuchten Oxide schützen allerdings die Oberfläche vor Verschleiß, wo heiße Bauteile aneinander reiben. Der Haken: Diese Schicht entsteht nur unter ganz bestimmten Bedingungen, nur an bestimmten Stellen und erst nach einer Einlaufphase. Überall sonst bleibt das Material ungeschützt.
Die Lösung: Die Schutzschicht kommt als Beschichtung
Das Team um Mayer hat die chemische Zusammensetzung dieser natürlichen Glasurschicht analysiert und sie als fertige Beschichtung nachgebaut. Die so entstandene Mischung aus Kobaltoxid und Chromoxid wird per Plasmaspritzen aufgetragen und etwa so dick wie ein menschliches Haar. Als Untergrund diente die Nickellegierung Inconel 718, ein Standardwerkstoff für Bauteile in stationären Gasturbinen und Flugtriebwerken. Die Bauteile müssen so nicht mehr darauf warten, dass sich der Schutz im Betrieb von selbst bildet. Sie bringen ihn von Anfang an mit.
Der Effekt zeigte sich laut der Studie in Versuchen, die Bedingungen an Reibkontakten in Gasturbinen nachstellen sollten.
- Bei 800 °C wird überschüssiges Kobaltoxid in der Schicht beweglich.
- Es wandert zu freien Oberflächen, also auch in Risse, und füllt sie auf.
- An der Außenseite reagiert es mit dem Luftsauerstoff weiter zum Oxid Co₃O₄. In dieser Verbindung bewegen sich die Kobaltionen deutlich langsamer. Die Schicht wirkt damit wie ein Deckel: Sie bremst die Wanderung und hält einen Vorrat an Kobaltoxid im Inneren zurück, der für künftige Risse zur Verfügung steht.
Wie sich Risse und Kratzer schließen
Risse im Inneren, wie sie durch Temperaturwechsel entstehen, werden also gefüllt und versiegelt. Und auch Kratzer an der Oberfläche verschwinden: Einen künstlich eingebrachten Kratzer konnten die Forschenden nach 2 Stunden bei 800 °C nach eigenen Angaben kaum noch erkennen, nach 8 Stunden war er messtechnisch nicht mehr nachweisbar. In den Tribologieversuchen bei 800 °C platzte eine Vergleichsschicht aus reinem Chromoxid beim Abkühlen dagegen bis auf eine Probe vollständig ab.
Getestet wurde bei 800 °C, also deutlich unterhalb der Spitzentemperaturen an den ersten Schaufelreihen. Hinter der Brennkammer kühlt das Gas von Stufe zu Stufe ab, und in diesem Bereich liegen viele der Reib- und Dichtstellen, für die die Schicht gedacht ist.
Was die Beschichtung bewirken könnte
Gedacht ist die Beschichtung für Turbinenschaufeln und Dichtungen, also die Stellen, an denen Flächen bei extremer Hitze aufeinander reiben. Sie könnte laut der Studie zudem ein Kostenproblem entschärfen: Kobalt-Superlegierungen werden teurer, weil die Batterieindustrie den Rohstoff nachfragt. Übernimmt die Beschichtung den Verschleißschutz, könnten günstigere Nickellegierungen viele dieser Aufgaben übernehmen.
Nach Angaben der Concordia University ist die Technologie zum Patent angemeldet. Das Team will als Nächstes die Heilung beschleunigen. Im Laborversuch dauerte es Stunden, bis ein gesetzter Kratzer verschwunden war.
In der Mitteilung der Concordia University kommen die deutschen Beteiligten nicht vor. Dabei forschen zwei der sechs Autoren in Deutschland: Martin Dienwiebel, der am KIT und am Fraunhofer IWM in Freiburg tätig ist, stellte laut Studie Testeinrichtungen bereit und betreute die Arbeit mit. Sein Karlsruher Kollege Omar Zouina führte die Analysen mit fokussiertem Ionenstrahl und Röntgen-Photoelektronenspektroskopie durch. Die Simulationen steuerte das US-Labor Sandia bei.
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