Modernes Prüfverfahren zur Einstufung von Beschichtungs-/Materialkombinationen

Am IE-JRC, einem Institut, das sich auf die Prüfung von Verfahren zur Energieumwandlung spezialisiert hat, wurde ein komplexer Prüfansatz zur Einstufung verschiedener Materialien und Schutzschichtsysteme entwickelt.

Strukturelle Verbundwerkstoffe mit Keramikmatrix (CMC – Ceramic Matrix Composite) verfügen über ein bedeutendes kommerzielles Potenzial zur terrestrischen Stromerzeugung. Im Rahmen des von der Europäischen Kommission finanzierten HITHEX-Projekts konzentrierte man sich auf die Demonstration ihrer Anwendungsmöglichkeit in Wärmetauschern mit hohen und ultrahohen Betriebstemperaturen. Die Forscher nutzten preiswerte C/C-SiC-Materialien aus einem früheren Projekt, die vor der Herstellung struktureller CMC-Komponenten noch weiter verbessert werden mussten.

Eines der Hauptprobleme, die noch behoben werden müssen, sind die Auswirkungen der chemischen Korrosion bzw. der Oxidation, die bei der Verarbeitung dieser Materialien auftritt. Dabei ist die Optimierung des Oxidationsschutzes der Materialien von äußerster Bedeutung, wenn es um deren thermisches Schockverhalten geht. Darum beschäftigte sich ein Teil der Projektarbeit mit der Entwicklung eines kritischen Tests, der so genannten Temperaturwechselprüfung.

Um diese Anforderung zu erfüllen, wurde am IE-JRC ein Schnelltest erarbeitet, mit dem Abweichungen der thermischen Eigenschaften genau festgestellt werden können. Dies ermöglicht die Einstufung verschiedener Beschichtungs-Materialkombinationen. Im Rahmen des Tests wird ein Hochofen eingesetzt, der sich an komplexe Umgebungen anpassen kann und zu dessen Funktionen der Transport von Prüfmaterialien in den Heißbereich und aus diesem heraus zählt. Zusätzlich zu diesem Temperaturwechsel-Oxidationstest wurde eine komplexe Korrosionsprüfung entwickelt, bei der die oxidations-/korrosionsbeständigen Eigenschaften verschiedener keramischer Verbundstoffe untersucht werden.

Zur Konzeption der Methodik wurden unter Berücksichtung dieser Faktoren die entsprechenden Maßnahmen eingeleitet. Dabei wurde auch beachtet, dass die Prüfmaterialien extrem oxidationsempfindlich sind. Während der kreislaufinternen Ausfallzeit wird ein Gewichtsverlust gemessen, der auf den Abschluss der Oxidations-/Korrosionsschutzbeschichtung hinweist. Die neuen Prüfverfahren ermöglichen die Simulation des Belastungs- und Versagensverhaltens der Materialien unter realistischen Bedingungen. Dies ermöglicht die Entwicklung und Verbesserung von Materialien, die für strukturelle Bauteile vorgesehen sind.