Development of thermal spray processes with liquid feedstocks

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.