DE3137731A1 - Hochtemperatur- und thermoschockbestaendige kompaktwerkstoffe und beschichtungen - Google Patents

Hochtemperatur- und thermoschockbestaendige kompaktwerkstoffe und beschichtungen

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Description

Ausf,-Nr. Λ
392-64/43/81 18. September 1981
CASCH/HSTA
BATTELLE - INSTITUT E.V., Frankfurt am Main
Hochtemperatur- und thermoschockbeständige Kompaktwerkstoffe und Beschichtungen
Die Erfindung betrifft hochtemperatur- und thermoschockbeständige Kompaktwerkstoffe und Beschichtungen auf der Basis von flamm- oder plasmagespritztem, stabilisertem Zirkoniumdioxyd bzw. Zirkoniumsilikat.
Hochtemperaturbeständige Oberzüge auf der Basis von Zirkoniumdioxyd bzw. Zirkoniumsilikat oder Nickel-Aluminium bzw. Nickel-Aluminium-Chrom-Legierungen sind bekannt. Während des Auftrags solcher Schichten wird die Konzentration der Metallkomponente innerhalb der Schicht allmählich geändert, so daß die Konzentration an Metall in der der Wärmequelle zugewandten Seite am geringsten ist. Der wesentliche Nachteil solcher überzüge besteht darin, daß sie in ihrer Dicke begrenzt sind, da die Einzelschichten oxidischer oder silikatischer Natur nur bis zu bestimmten Schichtdicken spritzbar sind und eine ausreichende Thermoschockbeständigkeit besitzen. Damit sind sie in ihren wärmedämmenden Eigenschaften, die dickeabhängig sind, limitiert. Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Kompaktwerkstoffe bzw. Oberzüge zu realisieren, deren wärmedämmenden Eigenschaften und deren Thermoschockbeständigkeit auch den höchsten Anforderungen genügen.
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Ausf.-Nr.A
Es hat sich nun gezeigt, daß sich diese Aufgabe mit Kompaktwerkstoffen und Beschichtungen der eingangs genannten Art lösen läßt, die laminatartig aus mehreren, alternierend angeordneten Schichten aufgebaut sind, wobei die einzelnen Schichten aus Zirkoniumdioxid und/oder Zirkoniumsilikat, Metall und Cermet bestehen und die äußerste, der Wärmequelle zugewandte Schicht aus Zirkoniumdioxid und/oder Zirkoniumsilikat besteht. Die vorteilhaften Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 beschrieben. Der Anspruch 8 betrifft die Verwendung der erfindungsgemäßen Werkstoffe bzw.Überzüge an thermisch belasteten Bauteilen im Maschinen- und Anlagenbau sowie im Kraftfahrzeugbau, z.B. in Brennräumen von Antriebsaggregaten mit reduzierender oder oxidierender Atmosphäre.
In erfindungsgemäßen Werkstoffen und Beschichtungen wird die Zirkoniumdioxydschicht vorzugsweise mit Magnesiumoxid, Calciumoxid oder Yttriumoxid stabilisert. Ausschlaggebend für die Wahl des stailisierenden Oxidzusatzes ist dabei die später im Einsatz auftretende thermische Belastung. Für hohe thermische BeIastungsfälle bis ca. 1600 °C kommt dabei Yttriumoxid-stabilisertes Zirkoniumdioxid in Frage. Für geringere thermische Belastungen von bis ca. 1100 °C genügt die Zugabe von Calciumoxid bzw. Magnesiumoxid.
Anstelle von Zirkoniumdioxydschichten können auch Zirkoniumsilikatschichten oder aus Zirkoniumdioxid und -silikat bestehende Schichten verwendet werden.
Generell ist für den Zweck der Wärmedämmung eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit erforderlich. Dies bedingt, neben den gegebenen stoffspezifischen Eigenschaften eine möglichst hohe Porosität . der Oxid- bzw. Silikatschicht. Mit steigender Porosität sinkt jedoch die Festigkeit des Werkstoffs und nimmt die mechanische Belastbarkeit ab, so daß bei zunehmender mechanischer Belastung bei gleicher Wärmedämmwirkung insgesamt größere Schichtdicken mit verringerter Porösität erforderlich sind. Die Porösität der Oxidschichten beträgt erfindungsgemäß ca. 3-15 Volumenprozent.
Ausf .-Nr. /[
Die Cermetschichten bestehen aus stabilisiertem Zirkoniumdioxid bzw. Zirkoniumsilikat mit Anteilen an einem Metall. Als Metalle werden vorzugsweise Nickel-Aluminium- oder Nickel-Chrom-Aluminium-Legierungen verwendet.
Die ebenfalls in der Laminatstruktur vorhandenen Metallschichten bestehen vorzugsweise aus denselben Legierungen, die auch in den Cermetschichten vorhanden sind.
Die Schichten höchster Belastbarkeit und hoher Thermoschockbeständigkeit werden durch möglichst feine Lamelierung des Kompaktwerkstoffes bzw. Überzugs erhalten. Vorzugsweise beträgt die Gesamtdicke des Laminataufbaus zwischen 0,5 und 10 mm, wobei die einzelnen Schichten eine Dicke zwischen 20 und 1000 Mm vorzugsweise 50 bis 200 Um aufweisen können. Die minimal erreichbare Schichtdicke wird dabei von der Korngröße der eingesetzten Pulver vorgegeben und liegt etwa im Bereich von 20 Mm. Bei allen Schichtaufbauten muß die der Wärmequelle zugewandte Seite mit einer Oxid- bzw, Silikatschicht versehen sein. Die Dicke dieser Schicht muß so gewählt werden, daß die anschließende Cermet- bzw. Metallschicht in einem Temperaturbereich liegt, der eine Oxidation dieser Werkstoffe weitgehend ausschließt.
Vorzugsweise besteht der Laminataufbau aus einer Schicht aus dem Grundmetall, einer Metallschicht, einer Cermetschicht, einer Oxid- bzw. Silikatschicht, wobei die Anordnung Cermet-Oxid- bzw. Silikatschichten sich beliebig wiederholen kann. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Laminataufbau realisiert sein aus einer Schicht aus dem Grundmetall, einer Metallschicht, einer Cermetschicht, einer Oxid- bzw. Silikatschicht, einer Metallschicht, einer Oxid- bzw. Silikatschicht, einer Metallschicht, einer Oxid- bzw. Silikatschicht, wobei die Anordnung aus Metallschicht und Oxid/- bzw. Silikatschicht sich beliebig wiederholen kann.
Ausf.-Nr. Λ
Verfahren zur Herstellung solcher Beschichtungen sind ansich bekannt. Sie werden nach den Flamm- bzw. Plasmaspritztechniken aufgebracht. Sowohl durch die beim thermischen Spritzauftrag gewählten Bedingungen wie Spritzabstand, Pulverdurchsatz und durch die Anordnung und Dicke der einzelnen Schichten sowie durch die Schichtzusammensetzung lassen sich den Belastungsanforderungen angepaßte Werkstoffe und Überzüge realisieren.
Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Werkstoffes wird z.B.
ein Kern aus Aluminium erwärmt, mit einer Natriumchloridlösung aufgespritzt und weiter auf 200-300 °C erwärmt. Anschließend werden die Schichten aufgespritzt. Nach dem Abkühlen und Eintauchen ins Wasser löst sich das Natriumchlorid, so daß sich der . Kern leicht vom Laminataufbau entfernen läßt. Solche Werkstoffe lassen sich z.B. in passende rohrförmige Bauteile leicht einbringen. Nach diesem Verfahren lassen sich Laminatwerkstoffe mit 20 und mehr Einzelschichten realisieren.

Claims (8)

392-64/43/81 ·' "- · : :"--:.-"*- : 18. September 1981 CASH/HSTA ,u.-Nr. 52/81 VS-Vertr. asf.-Nr. Λ BATTELLE - INSTITUT.V., Frankfurt am Main Patentansprüche
1. Hochtemperatur- und thermoschockbeständige Kompaktwerkstoffe und Beschichtungen auf der Basis von flamm- oder plasmagespritztem, stabilisertem Zirkoniumdioxyd bzw. Zirkoniumsilikat, dadurch gekennzeichnet, daß sie laminatartig aus mehreren alternierend angeordneten Schichtenaufgebaut sind, wobei die einzelnen Schichten aus Zirkoniumdioxid und/oder Zirkoniumsilikat, Metall und Cermet bestehen und die äußerste, der War mequelle zugewandte Schicht aus Zirkoniumdioxid und/oder Zirkoniumsilikat besteht.
2. Werkstoffe und Beschichtungen nach Anspruch 1, dadurch gekenn -zeichnet, daß die Gesamtdicke des Laminataufbaus zwischen 0,5 und 10 mm beträgt.
3. Werkstoffe und Beschichtungen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Schichten eine Dicke zwischen 20 und 1000 um, vorzugsweise 50-200 um aufweisen, wobei die Thermoschockbestandigkeit mit abnehmender Dicke der einzelnen Schichten ansteigt und die Wärmeleitfähigkeit, insbesondere bei hohen Temperaturen, mit abnehmender Dicke der ein zelnen Schichten abnimmt, wodurch das Laminat in seiner Eigen schaft als Wärmedämmstoff wirksamer wird.
4. Werkstoffe und Beschichtungen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelschichten unterschiedliche Dicken aufweisen, wobei die Zirkoniumoxid- bzw. Zirkoniumsilikatschicht,, die der Wärmequelle zugewandt ist, dicker ist als die übrigen Schichten.
Ausf.-Nr. /I
5. Werkstoffe und Beschichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die cermetische Schicht aus einem Metall, vorzugsweise Nickel-Aluminium oder Nickel-Chrom-Aluminium, und stabilisiertem Zirkoniumdioxyd und/oder Zirkoniumsilikat besteht, wobei das Verhältnis Metall/Oxid bzw. Silikat beliebig variierbar ist.
6. Werkstoffe und Beschichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Laminataufbau aus Grundmetall-Metall-Cermet-Oxid/Silikat-Cermet-Oxid/Silikat-usw. oder aus Grundmetall-Metall-Cermet-Oxid/Silikat-Metall- . Oxid/Silikat-Metall-Oxid/Silikat besteht.
7. Werkstoffe und Beschichtungen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in den cermetischen Schichten die Konzentration an die Metallkomponenten zur .äußeren Schicht hin allmählich abnimmt.
8. Verwendung von Werkstoffen und Beschichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, in thermisch belasteten Bauteilen im Maschinen- und Anlagenbau sowie im Kraftfahrzeugbau, zum Beispiel in Brennräumen von Antriebsaggregaten mit reduzierender oder oxidierender Atmosphäre.
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