Safran kooperiert mit Ionbond, um Beschichtungen für den Weltraum zu entwickeln
PVD- und CVD-Beschichtungen werden in der Regel mit verschleißfesten Filmen in Verbindung gebracht, die die Lebensdauer von Werkzeugen und Maschinenteilen verlängern. Diese Beschichtungen können jedoch auch eine Vielzahl anderer einzigartiger Oberflächeneigenschaften bieten. Das Logo von Ionbond "The Surface Engineers" spiegelt wider, dass wir uns auf die Ingenieurskunst der Oberfläche spezialisiert haben, um den Anforderungen der Anwendung gerecht zu werden.
Safrans Mission: Entwicklung hoch effizienter Plasma-Triebwerke für Satelliten
Das französische Unternehmen Safran Space Propulsion wandte sich an Ionbond mit der Bitte, eine spezielle Beschichtung für die neue Linie von Plasma-Antriebsmotoren zu entwickeln, die im Weltraum eingesetzt werden, um Raumfahrzeuge anzutreiben oder Satelliten in ihrer Umlaufbahn zu halten. Safran stellt diese Motoren hauptsächlich für die Europäische Weltraumorganisation (ESA) her, deren Raumfahrzeuge auf Plasmatriebwerke angewiesen sind, um sie im Weltraum voranzutreiben.
Warum Plasmaantrieb?
Ein Plasma-Antriebssystem ist ein Reaktionsantrieb, der Plasma als Mittel zur Erzeugung des Schubs verwendet. Im Gegensatz dazu beruht chemischer Antrieb auf chemischen Reaktionen zu diesem Zweck. Interessanterweise verwenden beide Triebwerke das gleiche Newtonsche Drittes Gesetz als ihren grundlegenden Betriebsgrundsatz. Chemischer Antrieb, obwohl die gängige Technik, hat eine physikalische Grenze in der Geschwindigkeit der Abgase und damit der maximalen Geschwindigkeit, die ein Fluggerät erreichen kann. Darüber hinaus ist sein Äquivalent zur 'Kraftstoffeffizienz' (von Raketenwissenschaftlern als 'Spezifischer Impuls' bezeichnet) sehr gering. Plasma-Antriebsmotoren haben zwar nur einen bescheidenen Schubwert, können diesen jedoch sehr lange liefern und weisen eine viel bessere Kraftstoffeffizienz auf. Plasma-Triebwerke können Raumfahrzeuge auf beeindruckende Geschwindigkeiten von bis zu 50 km/s (180.000 km/Stunde) beschleunigen.
Das Hall-Effekt-Triebwerk und die Rolle einer Hohlkathode
Safran stellt sogenannte Hall-Effekt-Plasmatriebwerke her, die ionisiertes Xenongas als Treibstoff und ein elektrostatisches Feld als Beschleunigungsmittel verwenden. Xenonplasma entsteht im zylindrischen Anodeninneren durch Zusammenstöße seiner Atome mit Elektronen. Xenonionen werden dann beschleunigt und aus der Anode herausgestoßen. Im Austrittsstadium rekombinieren die Ionen mit Elektronen, wodurch das gesamte Setup elektrisch neutral bleibt. Safran-Ingenieure haben das Hohlkathodenprinzip zur Erzeugung der für die Ionisation erforderlichen Elektronen ausgewählt. Die Hohlkathode nutzt die Energie von Gasionen, um die für die Elektronenemission erforderliche hohe Temperatur aufrechtzuerhalten. Um die Emissionstemperatur zu senken und somit die Lebensdauer der Kathode zu erhöhen, werden häufig spezielle Materialien mit niedriger Austrittsarbeit verwendet. Bei einer Hohlkathode wird das Röhrchen des emissionsfähigen Materials in die Hülle aus refraktärem Metall eingeführt. Bei hohen Temperaturen beginnen jedoch Bestandteile solcher Materialien in das Hüllenmaterial zu diffundieren, was zu dessen schnellem Verschleiß führt. Um dies zu verhindern, ist eine Diffusionsbarriere zwischen emissionsfähigen und Hüllenmaterialien erforderlich.
Zirconiumnitrid als Diffusionssperre
Zirkoniumnitrid (ZrN) wurde als effizientes Mittel zur Blockierung einer solchen Diffusion identifiziert. Die Aufgabe der Ingenieure von Ionbond bestand darin, einen Prozess zu entwickeln, der es ermöglicht, diese Beschichtung auf den Oberflächen der Hohlkathodenkomponenten herzustellen. Diese Aufgabe stellte bedeutende Herausforderungen dar. Erstens musste die Beschichtung auf den Innendurchmessern der Teile mit einem hohen Aspektverhältnis erzeugt werden. Zweitens musste die Beschichtungsdicke über 20 Mikrometer liegen, was im Vergleich zu den regulären Anforderungen ungewöhnlich dick ist, und sie musste gut an refraktären Metallen haften. Drittens musste die abgeschiedene ZrN-Schicht eine bestimmte Morphologie und kristallographische Gitterstruktur aufweisen, um den Safran-Spezifikationen zu entsprechen.
Die Herausforderungen: Beschichtung der Part-ID mit hoher Schichtdicke
Da der PVD-Prozess nicht für die Abscheidung der ID-Beschichtung geeignet war, konzentrierten sich die Prozessingenieure von Ionbond auf die CVD-Technologie. Die Beschichtung wird durch Chlorierung von reinem Zirkonium hergestellt und der Transfer des gebildeten ZrCl4-Dampfes in die reaktive Zone, wo er bei hoher Temperatur mit einer Mischung aus Wasserstoff und stickstoffhaltigen Gasen reagiert, um ZrN zu bilden. Im herkömmlichen Prozess beträgt die Abscheiderate von ZrN weniger als ein Mikron pro Stunde, was für die Abscheidung von 20+ Mikrometer dicken Filmen inakzeptabel wäre. Aus diesem Grund mussten die Ingenieure von Ionbond nach Möglichkeiten suchen, um die Abscheiderate zu erhöhen. Parameter wie die Konzentration der Reaktanten, Chlorierung und Abscheidungstemperaturen, Druck und Lastaufbau wurden als Faktoren identifiziert, die die Abscheiderate beeinflussen. Nach einer vorläufigen thermodynamischen Analyse wurden machbare Bereiche für jeden Parameter ausgewählt und eine Versuchsmatrix erstellt. Neben der Abscheiderate wurden Gitter- und Morphologietypen als Antwortvariablen überwacht.
Typische Morphologie von ZrN-Ablagerungen: links - akzeptabel; rechts - nicht akzeptabel
Entwicklung eines maßgeschneiderten CVD-Verfahrens
Die Experimente und die Analyse der Daten ermöglichten die Festlegung der Abhängigkeit zwischen Eingabeparametern und Antwortvariablen. Besonderes Augenmerk wurde auf die Einrichtung der Belastung gelegt, um eine Beschichtung mit akzeptabler Dickenverteilung und Gleichmäßigkeit zu erzeugen. Da die Gesamtoptimierungsaufgabe drei Parameter umfasste (Abscheiderate, Morphologie und Gitter), waren wesentliche Anpassungen des Prozesses erforderlich, um die erforderlichen Typen der Morphologie und kristallinen Struktur zu erzeugen, und gleichzeitig den höchsten Wert der Abscheiderate zu erhalten.
Vom Konzept zur Lösung: Mission erfüllt
Die Ingenieure von Ionbond haben diese Herausforderungen erfolgreich gemeistert und einen spezialisierten Prozess zur Abscheidung von ZrN-Beschichtungen auf Safran-Komponenten mit einer vierfachen Steigerung der Abscheiderate entwickelt, der alle Anforderungen der Spezifikation von Safran erfüllt. Die ersten Komponenten werden an Safran geliefert, wo sie getestet und in die Plasmadüsen eingebaut werden. "Es war eine komplizierte, gewagte Aufgabe der multifaktoriellen Optimierung. Die Ingenieure von Ionbond haben Professionalität, tiefes Wissen über die Technologie und einen sehr enthusiastischen Ansatz bei der Lösung des Problems gezeigt. Chapeau!" – sagt Laurent Godard, Qualitätsmanager für Materialien und Prozesse bei Safran.
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