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Ionbond entwickelt Beschichtungen für Snecma (Safran Gruppe) und ihre Triebwerke für die Raumfahrt

11 Juni 2013

Unter PVD- und CVD-Beschichtungen versteht man in der Regel verschleißfeste Filme, die die Lebensdauer von Werkzeugen und Maschinenteilen verlängern. Diese Beschichtungen können allerdings auch eine Vielzahl von anderen einzigartigen Oberflächeneigenschaften aufweisen. Mit dem Claim "The Surface Engineers" drückt Ionbond aus, dass wir uns auf das Engineering von Oberflächen für komplexe Anforderungen spezialisiert haben.

Die französische Snecma (www.snecma.com) ist mit dem Auftrag an Ionbond gelangt, eine spezielle Beschichtung für die neue Linie von Plasma-Triebwerken zu entwickeln, mit welchen Raumfahrzeuge angetrieben oder Satelliten auf ihrer Umlaufbahn gehalten werden. Snecma produziert diese Plasmaschub-Triebwerke hauptsächlich für Telekom-Satelliten, wie etwa den Alphabus, der derzeit für die Europäische Weltraumorganisation ESA entwickelt wird.

Der Plasma-Antrieb ist ein Reaktionstriebwerk, das mittels elektrischer Energie und Plasma Schub erzeugt – im Unterschied zum chemischen Antrieb, der denselben Zweck mittels chemischen Reaktionen erfüllt. Beide Triebwerktypen nutzen das dritte Newtonsche Gesetz als Funktionsprinzip. Die chemische Erzeugung von Schub als die meistverwendete Technik hat den Nachteil, dass sie durch die beschränkte Geschwindigkeit der austretenden Gase an ihre physikalischen Grenzen stösst. Diese Grenze beschränkt die Höchstgeschwindigkeit des Raumfahrzeugs. Der dem  Kraftstoffverbrauch entsprechende „spezifische Impuls“, wie ihn Raumfahrtingenieure nennen, ist dadurch gering. Demgegenüber vermögen Plasma-Triebwerke einen zwar eher bescheidenen Schub zu generieren, dies aber während sehr langer Zeit und mit viel geringerem Treibstoffverbrauch. Plasma-Triebwerke können eine Raumsonde bis zur beeindruckenden Geschwindigkeit von 50 km/s (180 000 km/h) beschleunigen.

Snecma produziert sogenannte Hall-Effekt-Plasma-Triebwerke, die ionisiertes Xenongas als Treibmittel und ein elektrostatischen Feld zur Beschleunigung verwenden. Das Xenon-Plasma wird in einer zylindrischen Anode durch die Kollision von Xenon-Atomen mit Elektronen gebildet. Dadurch werden Xenon-Ionen beschleunigt und aus der Anode getrieben. Beim Austritt rekombinieren die Ionen wieder mit den Elektronen und halten so das ganze Setup elektrisch neutral. Die Snecma-Ingenieure haben das Hohlkathoden-Prinzip gewählt, um die zur Ionisierung benötigten Elektronen zu generieren. Die Hohlkathode nutzt die Energie von Gasionen, um die für die Elektronenemission benötigte hohe Temperatur aufrechtzuerhalten. Dabei treten zwischen Materialien, die bei Raumtemperatur inert sind, unerwünschte chemische Reaktionen auf. Deshalb sind spezielle trennende Beschichtungen vonnöten, um Leistungseinbußen während der Lebensdauer der Raumsonde entgegenzuwirken.

Als effizientes Mittel, um Materialdiffusion zu verhindern, hat sich Zircomiumnitrid (ZrN) gezeigt. Die Herausforderung für die Ionbond-Ingenieure bestand darin, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem eine ZrN-Schicht auf den innenliegenden Oberflächen der Hohlkathoden aufgebracht werden konnte. Erstens wiesen die zu beschichtenden Bauteile ein extrem hohes Aspektverhältnis auf. Zweitens war eine im Vergleich mit normalen Anwendungen aussergewöhnlich hohe Schichtdicke spezifiziert bei gleichwohl zuverlässiger Haftung an den verwendeten Refraktärmetallen. Drittens sollte der ZrN-Film eine besondere Morphologie und kristallografische Orientierung aufweisen, um die Snecma-Spezifikationen zu erfüllen.

Da das PVD-Verfahren für die Innendurchmesser-Beschichtung ausfiel, mussten die Ionbond-Verfahrenstechniker mit der CVD-Technik bei Null anfangen. Im CVD-Verfahren wird die Beschichtung erzeugt durch initiale Chlorierung von reinem Zirkon und Transport der gebildeten ZrCl4-Gasphase in die Reaktionszone, wo sie bei hoher Temperatur mit H und N oder N-haltigen Gasen reagiert um eine feste ZrN-Ablagerung zu bilden. Mit herkömmlichen Verfahren ist die ZrN-Abscheidungsrate unter 1 Mikrometer pro Stunde, im Dickschichtverfahren nicht praktikabel. Unsere Ingenieure mussten Möglichkeiten finden, die Abscheidungsgeschwindigkeit zu erhöhen. Als kritische Parameter wurden die Konzentrationen der Reaktanten, Chlorierungs- und Abscheidungstemperatur, Druck und Kammerbefüllung  identifiziert. Eine erste thermodynamische Analyse lieferte plausible Bereiche für jeden Parameter und eine Versuchsreihe wurde angelegt. Neben der Abscheiderate wurden die kristallografischen und morphologischen Eigenschaften der Schichten als Antwortgrössen definiert.

Die Analyse der experimentellen Daten ermöglichte die Darstellung der Antwortgrössen als Funktion der Eingangsgrössen.. Es stellte sich heraus, dass die Abscheidetemperatur den größten Einfluss auf die Abscheiderate von ZrN ausübt. Das Konzentrationsverhältnis N : ZrCl4 spielte die zweitwichtigste Rolle. Besonderes Augenmerk wurde ferner auf die Ladegeometrie in der Kammer  gelegt, um den zulässigen Bereich der Schichtdicke einhalten und grösstmögliche Schichthomogenität erzeugen zu können. Da die gesamte Optimierungsaufgabe drei Parameter umfasst (Abscheidungsrate, Morphologie und Gittertyp), waren erhebliche Anpassungen der Verfahrensparameter notwendig, um eine Beschichtung gemäß der Spezifikation zu erzeugen und gleichzeitig die Abscheiderate zu optimieren.

Den Ionbond-Ingenieuren ist es gelungen, die Herausforderungen zu meistern und ein hochspezialisiertes Verfahren zur ZrN-Beschichtung der Snecma-Komponenten zu entwickeln. Unter Erfüllung aller Snecma-Spezifikationen wurde nichts Geringeres als eine Vervierfachung der Abscheiderate erreicht. Die ersten Komponenten konnten bereits an Snecma in Frankreich ausgeliefert werden, wo sie geprüft und in die Plasma-Triebwerke eingebaut werden. "Es war eine heroische Aufgabe multifaktorieller Optimierung. Die Ionbond-Ingenieure haben Professionalität, profunde Kenntnis der Technologie und eine sehr enthusiastische Herangehensweise an das Problem gezeigt. Chapeau!", sagt Gilles Turin, Programmleiter bei Snecma.

Für weitere Fragen wenden Sie sich bitte an Val Lieberman