Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-4169
Latzel, Silke
Entwicklung von plasmagespritzten Schichten zum Schutz des Faserverbundwerkstoffes C/SiC vor Korrosion bei hohen Temperaturen
V, 99 S., 2005
Entwicklung von plasmagespritzten Schichten zum Schutz des
Faserverbundwerkstoffes C/SiC vor Korrosion bei hohen
Temperaturen
Der Werkstoff C/SiC (kohlenstofffaserverstärktes Siliziumkarbid) weist, neben seinen
positiven Eigenschaften, ein schnelles Versagen durch Oxidation an Luft bei hohen
Temperaturen auf. Das Ziel der Arbeit ist es für dieses Material eine Schutzschicht
(environmental barrier coating", EBC) zu suchen und zu evaluieren. Die gewählte EBC
besteht aus Mullit und Lanthanhafnat, beide Materialien besitzen exzellente
Hochtemperatureigenschaften. Mullit allerdings degeneriert unter Einwirkung von heißem
Wasserdampf, der bei jeder Verbrennung entsteht, und verliert seinen Siliziumanteil . Daher
wird mit Lanthanhafnat eine weitere Schicht aufgetragen, um den Mullit zu schützen. Die
Herstellung erfolgt über Plasmaspritzverfahren, wobei neben pulverbasierten Verfahren auch
ein neues flüssigkeitsbasiertes Verfahren Verwendung findet. Bei letzterem wird ein Sol aus
silizium- und aluminiumhaltigen Edukten verwendet. In den plasmagespritzten
Mullitschichten treten Segmentationsrisse auf. Eine Eliminierung dieser wird über
Spritzparameterwahl, thermische Nachbehandlung und Rissverfüllung versucht. Zur
Herstellung von kristallinen Mullitschichten wird eine Oberflächentemperatur am Substrat
von mindestens 800 °C beim pulverbasierten Plasmaspritzen benötigt, was durch Weglassen
der Substratkühlung erreicht wird. Es deutet sich an, dass diese notwendige hohe
Substrattemperatur durch den Einsatz von solbasiertem Plasmaspritzen erniedrigt werden
kann. Die Herstellung von Mullitschichten über solbasiertes Plasmaspritzen war jedoch nicht
erfolgreich, da es durch den niedrigen Auftrag zu hohen Prozesszeiten kam, die eine
Schädigung des Substrates zur Folge hatten. Die bei den Lanthanhafnatschichten auftretende
Porosität konnte durch Spritzparameterwahl nicht genügend gesenkt werden, es besteht
mindestens 9 % Porosität in Form von Mikrorissen. Es wurde auch eine Doppelschicht aus 149 μm Mullit und 55 pm Lanthanhafnat hergestellt und deren Schutzwirkung untersucht.
Aufgrund der gewonnenen Erkenntnisse wird angenommen, dass eine Schutzschicht, die aus
einer segmentationsrissfreien Mullitschicht und einer Lanthanhafnatschicht besteht, den
Werkstoff C/SiC effektiv bei hohen Temperaturen schützen kann.
Development of plasma sprayed coatings to protect carbon-fiber-reinforced
silicon carbide (C/SiC) from corrosion at high temperatures
The material C/SiC (carbon fiber enhanced silicon carbide) shows, besides its outstanding
positive properties, an undesirable degradation if exposed to air at high temperatures .
Therefore, it is the aim of this work to select and evaluate an environmental barrier coating
(EBC) for this material. The chosen EBC is composed of mullite and lanthanum hafnate, both
showing excellent high temperature properties. If in contact to hot water vapor as in
combustion environments, mullite degenerates and loses its silica content. To protect mullite,
a lanthanum hafnate layer is added. Both layers are produced via plasma spraying techniques.
Additional to the current powder based plasma spraying, a new technique is applied to
produce mullite layers, using a sol containing a silicon and an aluminum source as liquid
feedstock. Plasma sprayed mullite coatings show segmentation cracks. Changes in spraying
parameters, heat treatment, and filling of the cracks have been investigated in order to
eliminate these cracks. To produce crystalline mullite layers, a surface temperature of 800 °C
on top of the substrate is needed and can be achieved by disabling the substrate cooling. In
case of sol-based plasma spraying, there is evidence that a lower substrate temperature might
be sufficient. It was not possible to produce a mullite layer via sol-based plasma spraying, as
this leads to a quite low deposition rate and therefore a high process time, causing a
degradation of the substrate. Even with optimized spraying parameters, the porosity of the
lanthanum hafnate layer could not be decreased sufficiently, there is at least an amount of 9 %
porosity assigned to microcracks. Also a double layer containing 149 μm mullite and 55 Pin
lanthanum hafnate was prepared and examined. From these findings it is concluded that an
environmental barrier coating system, consisting of a segmentation crack free mullite layer
and a lanthanum hafnate layer, is capable of protecting C/SiC at high temperatures.
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