Nanoindenter NanoTest Xtreme von Micro Materials – Neuer Hochtemperatur-Rekord von 1000 °C
Nickelbasierte Superlegierungen werden dort eingesetzt, wo es heiß her geht, wie in Turbinenschaufeln für Kraftwerke oder für Flugzeuge. Es gilt, je höher die Temperatur, desto besser der Wirkungsgrad und desto geringer der Schadstoffausstoß. Dementsprechend wird die maximale Temperatur, mit der die Bauteile belastet werden können, immer weiter nach oben getrieben. Dafür müssen immer bessere Beschichtungen für die Turbinenschaufeln entwickelt werden, welche die Schaufeln vor chemischer Korrosion und Oxidation schützen. Aufgrund der relativ geringen Schichtdicke der funktionalen Beschichtungen ist es sehr schwierig, mit traditionellen mechanischen Prüfverfahren die mechanischen Eigenschaften zu bestimmen. Bei herkömmlichen Härtetests wird immer ein vergleichsweise großes Volumen getestet, wodurch die Eigenschaften der dünnen Beschichtung von denen des Trägermaterials überlagert werden.
Eine gute Methode zur Vermeidung dieses Effekts ist die Nanoindentation. Dabei wird ein Eindringkörper mit einer bestimmten Geometrie unter einer angewandten Belastung in die Oberfläche eines Materials getrieben. Eine detaillierte Einführung dazu finden Sie auf unserer Homepage. Nanoindentation findet weitreichende Verwendung zum Beispiel in der Bestimmung der mechanischen Eigenschaften wie Härte, Eindrucksmodul und Kriechfestigkeit von dünnen Filmen, entweder in Form von harten Überzügen oder modifizierten Oberflächenschichten. Der Betrieb im Vakuum verhindert eine schädliche Oxidation der Probe oder der Indenterspitze.
In der Literatur findet man Berichte über die erfolgreiche Anwendung von Hochtemperatur-Nanoindentation bei der Untersuchung von Permalloy-Materialien und ihren Bindungsschichten. Hierbei wurde CMSX-4 bei bis zu 400 °C und René N4 bei bis zu 800 °C charakterisiert. Beide Arbeiten zur Hochtemperatur-Nanoindentation verdeutlichen auch die experimentellen Schwierigkeiten aufgrund von Kriechen, insbesondere bei der Messung des Elastizitätsmoduls.
In der Arbeit von Frau Prof. Korte-Kerzel [1] aus Aachen wird die maximale Temperatur von Hochtemperatur-Nanoindentations-Experimenten auf bis zu 1000 °C erweitert. Hierzu wurde das NanoTest Xtreme von Micro Materials verwendet. Es wurden die mechanischen Eigenschaften, einschließlich der Kriechkonstanten, bei betriebsrelevanten Temperaturen bestimmt. Als Proben dienten CMSX-4 und eine 200 µm dicke Amdry-386-Haftschicht.
In der Anwendung sorgt dieser Haftvermittler für chemischen Widerstand gegen Oxidation und vermindert thermische Spannungen zwischen Legierung und Wärmedämmschicht. Das einkristalline CMSX-4 dient als gut untersuchtes, aber hochanisotropes Referenzmaterial und ist wegen seiner Hochtemperatureigenschaften für das Beschichtungsdesign interessant. Die polykristalline Haftschicht ist für diese und zukünftige Untersuchungen mittels Nanoindentation gut geeignet – aufgrund des eher isotropen Verhaltens und den kleinen Korngrößen in Bezug auf die Schichtdicke.
Die Messungen zeigen deutlich die hohe Temperaturstabilität des NanoTest Xtreme, die benötigt wird um das Kriechverhalten von Materialien bei hohen Temperaturen zu untersuchen.
Besuchen Sie die Minikonferenz von Micro Materials am 13. und 14.12.18 bei der Arbeitsgruppe von Frau Prof. Korte-Kerzel in Aachen, um das Gerät während einer Laborführung live zu sehen!
