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Gasturbinen verschleißen nicht gleichmäßig. Es sind die Lastwechsel, die Schutzschichten zerstören: Beim Anfahren und Abkühlen dehnen sich Bauteile und Beschichtungen unterschiedlich aus. Risse entstehen, die Schicht verliert ihre Schutzwirkung. Ein internationales Forschungsteam hat nun eine Beschichtung vorgestellt, die diesen Prozess umkehrt. Sie füllt Risse bei 800 °C selbst auf, ohne dass die Turbine abgestellt werden muss.
Warum Lastwechsel das eigentliche Problem sind
In der Brennkammer einer Gasturbine herrschen bis zu 1.500 °C. Die ersten Schaufelreihen im Heißgaspfad treffen Gasströmungen von weit über 1.000 °C. Für die Werkstoffe ist das dauerhaft grenzwertig.
Noch belastender als die Dauertemperatur ist der wiederholte Temperaturhub. Stationäre Gasturbinen werden heute nicht mehr als Grundlastmaschinen betrieben. Sie springen ein, wenn die Erzeugung aus Wind und Photovoltaik nicht ausreicht. Das bedeutet: mehr Startzyklen, mehr Temperaturwechsel, mehr Risse in den Schutzschichten.
Für die Wartungsplanung zählen deshalb nicht nur Betriebsstunden, sondern auch die Zahl der Startzyklen. Jeder Zyklus kann Schichten beschädigen oder ablösen. Inspektionen im Heißgaspfad sind aufwendig. Eine stillstehende Turbine liefert keinen Strom und kostet Verfügbarkeit.
Forschungsansatz: Natürliche Schutzschichten nachbauen
Bestimmte Superlegierungen auf Kobaltbasis bilden im Betrieb unter Reibung eine glasartige Oxidschicht, Fachleute nennen sie Glaze Layer. Diese Schicht schützt die Oberfläche vor weiterem Verschleiß. Das Problem: Sie entsteht nur an bestimmten Stellen, nur unter engen Betriebsbedingungen und erst nach einer Einlaufphase.
Das Team um Andre Mayer von der Concordia University in Montreal, an dem auch Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie und des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM beteiligt waren, hat diese Schicht chemisch analysiert und anschließend als fertige Beschichtung nachgebaut: eine Mischung aus Kobaltoxid und Chromoxid, aufgetragen per Plasmaspritzen, etwa so dick wie ein menschliches Haar.
Als Träger diente Inconel 718, eine Nickellegierung, die in stationären Gasturbinen und Flugtriebwerken als Standardwerkstoff gilt. Die Beschichtung muss sich damit nicht mehr im Betrieb erst entwickeln. Sie ist von Beginn an vorhanden.
Mechanismus: Wie die Selbstreparatur funktioniert
Bei 800 °C wird überschüssiges Kobaltoxid in der Schicht beweglich. Es wandert zu freien Oberflächen, darunter auch in Risse. Dort füllt es den Hohlraum auf.
An der Außenseite reagiert das Kobaltoxid mit dem Luftsauerstoff weiter zu Co₃O₄. Diese Verbindung ist deutlich weniger durchlässig. Sie stoppt die weitere Wanderung und erhält den Kobaltoxid-Vorrat im Schichtinneren für spätere Risse.
In Versuchen unter Betriebsbedingungen war ein künstlich eingebrachter Oberflächenkratzer nach zwei Stunden bei 800 °C kaum noch erkennbar. Nach acht Stunden war er messtechnisch nicht mehr nachweisbar. Risse durch Temperaturwechsel wurden gefüllt und versiegelt. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal Communications Materials veröffentlicht.
Einordnung für Turbinenbetreiber und Instandhalter
Bestehende Wärmedämmschichten, in der Fachliteratur als Thermal Barrier Coatings oder TBC bezeichnet, schützen Turbinenbauteile vor Temperaturspitzen und ermöglichen höhere Betriebstemperaturen. Die neue Beschichtung setzt an einem anderen Punkt an: Sie verlängert nicht die Temperaturtoleranz, sondern die Lebensdauer der Schicht selbst durch aktive Schadenskompensation.
Für Betreiber stationärer Gasturbinen, etwa in der Stromerzeugung oder in Industriegas-Anlagen, wäre die mögliche Konsequenz: Wenn Schutzschichten sich im Betrieb selbst regenerieren, sinkt die Häufigkeit kostspieliger Heißgaspfad-Inspektionen. Stillstandzeiten könnten kürzer werden. Ob und wann die Beschichtung den Weg in die Serienproduktion findet, haben die Forscher nicht kommuniziert. Die Studie beschreibt Labor- und Testbedingungen, keine Industriequalifikation.
Fazit
Die Forschungsergebnisse aus Montreal, Karlsruhe und dem Fraunhofer IWM zeigen einen technisch plausiblen Weg, wie sich Risse in Turbinenschutzschichten ohne Stillstand schließen lassen. Die Beschichtung ist auf Standardwerkstoffe wie Inconel 718 ausgelegt, der Auftragsweg per Plasmaspritzen ist industriell etabliert. Bis zur Qualifikation für den kommerziellen Einsatz sind weitere Schritte nötig.
