Some recent trends in research and technology of advanced thermal barrier coatings

Ceramic thermal barrier coatings (TBCs) offer the potential to significantly improve efficiencies of aero engines as well as stationary gas turbines for power generation. On internally cooled turbine parts temperature gradients of the order of 100 to 150 °C can be achieved. Today, state-of-the-art TBCs, typically consisting of an yttria-stabilised zirconia top coat and a metallic bond coat deposited onto a superalloy substrate, are mainly used to extend lifetime. Further efficiency improvements require TBCs being an integral part of the component which, in turn, requires reliable and predictable TBC performance. Presently, TBCs produced by electron beam physical vapour deposition are favoured for high performance applications. The paper highlights critical R&D needs for advanced TBC systems with a special focus on reduced thermal conductivity and life prediction needs. Keramische Wärmedämmschichten ermöglichen eine deutliche Steigerung der Effizienz von Flugtriebwerken und stationären Gasturbinen für die Energieerzeugung. Bei innengekühlten Turbinenbauteilen lässt sich eine Temperaturabsenkung um 100 bis 150 °C erreichen. Standardwärmedämmschichtsysteme, welche aus einer keramischen Außenschicht aus Yttriumoxid-stabilisiertem Zirkonoxid und einer metallischen Haftvermittlerschicht auf der Nickel-Superlegierung bestehen, werden bisher zumeist nur zur Lebensdauerverlängerung der Turbinenschaufeln verwendet. Die notwendige weitere Steigerung der Effizienz erfordert jedoch Wärmedämmschichten, die ein integraler Bestandteil des Bauteildesigns sind. Dafür ist ein zuverlässiges und vorhersagbares Verhalten der Schichtsysteme im Einsatz unabdingbar. Für hochbelastete Bauteile wie z.B. Turbinenlaufschaufeln wird zur Schichtherstellung bevorzugt das EB-PVD-Verfahren eingesetzt. Der Artikel fasst wesentliche Entwicklungsrichtungen für neue Wärmedämmschichtsysteme zusammen mit den Schwerpunkten Verringerung der Wärmeleitfähigkeit sowie Erfordernisse der Lebensdauervorhersage.