Besonders bei Starts und Landungen attackieren Sand, Staub und in Meeresnähe auch Salzkristalle die Schaufeln der Flugzeugtriebwerke. Neu entwickelte Schichten aus Zirkonoxid wirken dem Verschleiß wirksam entgegen. Momentan sind die Kosten dieser Zirkonschichten noch ein Problem, denn die Herstellung ist sehr energieintensiv. Jetzt müssen Lösungen entwickelt werden um die Kosten zu senken.

Im kühleren Bereich eines Triebwerks verschleißen die Partikel die Turbinenschaufeln mechanisch. Außer den Kosten zum Austausch beschädigter Triebwerksteile kommt noch ein weiterer Faktor, denn “schon relativ geringe Schäden erhöhen den Kraftstoffverbrauch um ein oder zwei Prozent”, so Dr. Thomas Uihlein Leiter des Managements Technologietransfer bei MTU. In einem Team entwickelte er das so genannte ERCoat-Beschichtungssystem, eine Multilayerschicht, das dieser Schmiergelei Einhalt gebietet. Diese Schicht besteht aus mehreren, übereinander abgeschiedener Schichten aus Metall und Keramik. Diese fünf bis 50 Mikrometer dicke Schutzschicht ist gleichzeitig hinreichend duktil, um sich im selben Maß wie das Turbinenblatt zu verformen. Bis zu 650°C bieten diese Schichten wirkungsvollen Schutz. Je nach Sandbelastung und –art steigt die Lebensdauer der entsprechenden Bauteile um einen Faktor 4 bis 10 oder höher durch die Beschichtung. Die Schichten sind mittlerweile sowohl von der europäischen als auch von der amerikanischen Luftfahrtbehörde zertifiziert.

Im nachfolgenden heißen Bereich des Triebwerks steigen dann die Temperaturen auf Werte zwischen 1100 und 1500 °C. Unter dieser Hitze schmelzen die Partikel und reagieren chemisch mit den thermischen Schutzschichten auf den Turbinenteilen. Sand etwa verwandelt sich in Glas und “geschmolzenes Glas löst alles”, bestätigt Prof. Nitin Padture von der Ohio State University.

Die Schutzschichten in diesem heißen Bereich bestehen aus Zirkonoxid. Das heiße Glas dringt nun über Poren ein, erreicht das Metall und kann mit ihm reagieren. Beim Abkühlen des Triebwerks verfestigt es sich und bildet eine starre Glasur. Heizt das Triebwerk sich wieder auf, dann dehnen sich die Schaufeln aus, die Glasur blockiert die Ausdehnung der keramischen Schicht und lässt sie brechen, was die Einsatzzeit der Schaufel reduziert. Forscher und Ingenieure in aller Welt suchen nach Lösungen diesen Effekt zu verhindern.

Das Team um Nitin Padture hat jetzt eine Lösung gefunden, es gibt dem Zirkon Aluminium und Titan zu. Trifft nun das geschmolzene Glas auf die Schutzschicht der Turbine, dann nimmt es Aluminium und Titan auf. Dies wandelt das geschmolzene Material in einen stabilen Kristall um, der nicht mehr weiter eindringt. “Das Glas wird buchstäblich zu einer neuen keramischen Beschichtung auf der alten. Es ist wie eine sich konstant erneuernde Beschichtung auf der Turbinenoberfläche”, so Padthure. Das Verfahren ist mittlerweile patentiert. Jetzt arbeiten die Wissenschaftler mit Inframat Corp. zusammen um die Schichten weiter zu testen und die Technik für den Serieneinsatz weiter zu entwickeln.
Momentan sind die Kosten dieser Zirkonschichten noch ein Problem, denn die Herstellung ist sehr energieintensiv. Jetzt müssen Lösungen entwickelt werden um die Kosten zu senken. “Es gibt momentan viele innovative Ansätze für solche Schichten”, weiß Dr. Günter Wilfert Leiter Technologiestrategie bei MTU. “Bis allerdings die Grundlagen untersucht und die Beschichtungen anwendungsreif sind vergehen noch einige Jahre.” Wie andere Triebwerkshersteller beobachtet MTU kontinuierlich solche Entwicklungen und prüft ob sich eine Verbesserung gegenüber den bisherigen Produkten ergibt.

Dr. Barbara Stumpp