DD299595A7

DD299595A7 - Schwarze konversionsschichten auf titanwerkstoffen

Info

Publication number: DD299595A7
Application number: DD33100389A
Authority: DD
Inventors: Juergen Schmidt; Thomas Furche; Roland Erdmann; Marion Reichert; Ullrich Bayer; Peter Kurze; Thomas Schwarz; Joachim Schreckenbach; Hans-Juergen Kletke; Andreas Hoffmann
Original assignee: Jenoptik Carl Zeiss Jena Gmbh Werk Entw. Wiss.-Techn. Ausruestungen,De; Tu Chemnitz,De
Priority date: 1989-07-19
Filing date: 1989-07-19
Publication date: 1992-04-30

Abstract

Die Erfindung betrifft schwarze Konversionsschichten auf Titanwerkstoffen, die auch nach Temperaturwechselbelastung haftfest vorliegen, ein nahezu gleiches optisches Absorptions- und thermisches * realisieren, voellig roentgenamorph sind und daher ein ideal optisches isotropes Verhalten bezueglich Reflektion der Strahlung aufweisen und durch ihre minimale Ausgasrate eine hohe Thermovakuumstabilitaet beweisen. Das wird dadurch erreicht, dasz diese Schichten Titan, Chrom und Kupfer in den Verhaeltnissen von * und * enthalten. Diese feinmattierten Konversionsflaechen sind als Funktionsflaechen auf Baugruppen aus Leichtgewichtswerkstoffen, besonders Titanwerkstoffen anwendbar, die unter speziellen Einsatzbedingungen hohe Langzeitstabilitaet aufweisen muessen.{Konversionsschichten, schwarz; Konversionsschichten, feinmatiert; Titanwerkstoffe; Temperaturwechselbelastung; a/e-Verhaeltnis0,95; optisches Absorptionsvermoegen; thermisches Emissionsvermoegen; isotropes Verhalten; Ausgasrate; Thermovakuumstabilitaet}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft schwarze, feinmattierte Konversionsschichten als Funktionsflächen auf Baugruppen aus Leichtgewichtswerkstoffen, speziell Titanwerkstoffen, die auch unter speziellen Einsatzbedingungen hohe Langzeitstabilität aufweisen.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Aus der Fach- und Patentliteratur sind eine Anzahl schwarzer Schichten auf Werkstoffen, speziell auf Ventilmetallen wie Ti, Ta, Zr, Nb₁AI bekannt, deren stahlungsphyslkalische Größen optische Absorption (α) und thermische Emission (e) nahezu gleich sind. Beispielsweise besteht die Möglichkeit, Sonnenkollektoroberflächen einfach schwarz zu färben und damit eine Schicht mit o. g. Eigenschaften zu erzielen. Weiterhin kommen auch die verschiedensten Lacksysteme zur Erzielung von schwarzen Schichten mit dem a:e-Verhältnis *> 1 zum Einsatz. Nachteilig an diesen Lösungen ist, daß keine feinmattierte Schicht erhalten wird. Besonders problematisch erweist sich außerdem, daß ein relativ hoher Masseverlust der Lacke infolge Abgabe flüchtiger Bestandteile zu verzeichnen ist. Er beträgt 3-5,4% für die gegenwärtig eingesetzten Lacke nach 24stündig?r Haltezeit bei 125⁰C und 10~⁶ Torr. Der im Standard ASTM E 595-77 fixierte maximale Masseverlust bezüglich minimaler Abgabe flüchtiger Bestandteile beträgt 1 % nach 24stündiger Haltezeit bis 125⁰C und 10~° Torr. Diese Forderung erfüllt zur Zeit kein bekanntes Lacksystem. Damit ist keine Thermovakuumstabilität gegeben. Die in den Patentschriften DE 3210367, EP 0130754 und DD 255446 beschriebenen lackfreien Schichtsysteme besitzen zwar eine gewisse Langzeitstabilität, weisen jedoch unterschiedliche Schwärzungeintensitäten innerhalb der Schicht auf und verweisen auch auf partiell verschiedene a/e-Verhältnlsse innerhalb der Schicht. In der Patentschrift DD 236978 werden solarselektive Absorberschichten beschrieben, die aus dunkelgefärbten, chromdotierten Oxidschichten auf Ventilmetallen, wie Ti, Ta, Zr, Nb, Al bestehen. Diese Schichten besitzen zwar ein hohes Absorptionsvermögen von α > 0,92, weisen jedoch einen derart rauhen Oberflächenstruktureffekt auf, daß daraus Mehrfachreflexionen resultieren, so daß die entfallende Strahlung ihre Energie in Form von Wärme an die Absorberschicht abgibt und diese auf den Kollektorkörper übertragen wird. In diesem Falle wird nur eine geringe thermische Emission erzielt.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung liegt in der Boreitstellung einer einfach aufgebauten schwarzen, foinmattierten Konversionsschicht auf Titanwerkstoffen, die eine hohe Langzeitstabilität besitzt und optimal anwendbar, speziell unter extremen Umweltbedingungen ist.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, schwarze Konvorsionsschlchten auf Titanwerkstoffen mit einem α/ε-Verhältnls von nahezu 1, verbunden mit hoher optischer Stabilität und gleichzeitiger Thermovakuumstabilität, herzustellen. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch schwarze Konversionsschichten auf Titanwerkstoffen mit nahezu gleichem optischem Absorptions· und thermischem Emissionsvermögen dadurch gelöst, daß diese Schichten Titan, Chrom und Kupfer in den Verhältnissen von CnTi= 1: (1,9-2,2) und Cr:Cu = 1: (0,8-1,3) enthalten und hohe Thermovakuumstabilität besitzen. Die Vorteile der Lösung ergeben sich im wesentlichen dadurch, daß ein Schichtsystem erreicht wird,

- welches eine feinmattierte Oberflächenstruktur und dadurch im Gegensatz zu den bisher bekannten chromdotierten Oxidschichten auf Ventilmetallen ein nahezu gleiches optisches Absorptions- und thermisches Emissionsvermögen besitzt,

- welches völlig röntgenamorph ist, d. h. die kohärenten Streubereiche sind kleiner als 4 nm. Daraus resultiert ein ideal optisch isotropes Verhalten dieser Schichten bezüglich Reflexion der Strahlung bei einem maximalen Absorptionsvermögen der einfallenden Strahlung,

- das eine gute Haftfestigkeit auch nach Temperaturwechselbelastung aufweist,

- das eine sehr gute Thermovakuumstabilität verbunden mit einer hohen Langzeitstabilität durch die minimale Abgabe flüchtiger Bestandteile des Schichtsystems realisiert.

Damit werden funktionsbeeinträchtigende Kontaminationserscheinungen an den Baugruppen, speziell in optischen Systemen, ausgeschlossen,

- welches gleichzeitig durch eine sehr hohe UV-Stabilität gekennzeichnet wird.

AusfOhrungsbelsplele Beispiel 1 Auf einem Objektiv aus Titanwerkstoff wird die schwarze Konversionsschicht mittels plasmachemischer anodischer Oxidation in

einem wäßrigen Elektrolyten, welcher aus einer 4,0-Vol.-%igen ammonlakalischen Lösung mit 0,5mol/l KH₂PO*, 0,1 mol/l K₂CrO₄ und 0,35 mol/l (CH₃COO)₂ Cu besteht, bei einer Stromdichte von 0,045 A · cm"² aufgebracht.

Durch ESCA-Oberflächenuntersuchungen wurden in der Konversionsschicht Verhältnisse von Cr:Ti = 1,9 und von Cr:Cu = 1:1,1

bestimmt.

Beispiel 2 Auf einer Linsenfassung aus einer Titanlegierung, hler speziell EMO-T1 110 wird die schwane Konversionsschicht mittels

plasmachemischer anodischer Oxidation in einem wäßrigen Elektrolyten, der die gleiche Zusammensetzung wie Beispiel 1

aufweist, bei einer Stromdichte von 0,02OA · cm"² aufgebracht.

In dieser Konversionsschicht sind Titan, Chrom und Kupfer In den Verhältnissen von Cr:TI«1:1,9 und Cr:Cu »1:1,0 enthalten. Beispiel 3

Auf einem Blendengehäuse aus Titan wird die schwarze Konversionsschicht mittels plasmachemischer anodischer Oxidation in einem wäßrigen Elektrolyten, der die gleiche Zusammensetzung wie Beispiel 1 aufweist, b.el einer Stromdichte von 0,03 A cm"² aufgebracht.

Titan, Chrom und Kupfer sind In dieser Konversionsschicht in den Verhältnissen von Cr:TI -1:2,2 und Cr.Cu«»1:1,2 enthalten. Diese Konversionsschichten liegen auf den Geräteteilen haftfest vor, auch nach Temperaturwechselbelastung, sind tiefschwarz gefärbt, besitzen eine feinmattierte Oberflächenstruktur und dadurch im Gegensatz zu den bisher bekannten Lösungen ein nahezu gleiches optisches Absorptions- und thermisches Emissionsvermögen. Das α/ε-Verhältnis beträgt 0,95. Diese Schichten sind völlig röntgenamorph und zeigen daher ein ideal optisches Isotropes Verhalten bezüglich Reflexion der Strahlung. Weiterhin werden sie gekennzeichnet durch ein maximales Absorptionsvermögen von α = 0,96. Die in der Literatur bereits bekannten Werte liegen iwischen 0,89 und 0,95. Untersuchungen zurThermovakuumstabllität zeigen keine Veränderungen in optisch relovanten Bereichen. Bedingt durch die extrem niedrigen Ausgusraten von 50,03% Masseverlust nach 24h bei 125⁰C und 10~⁶ Torr sind funktionsbeeinträchtlgende Kontaminationen im optischen System ausgeschlossen. Der im Standard ASTM E 595-77 fixierte maximale Masseverlust beträgt 1 %, die bisher erreichten Werte 3-5,4%. Erprobungen zur UV-Stabilität der beschichteten Gerätematerialien zeigen nach 56 Tagen intensiver künstlicher Sonneneinstrahlung (TGL 9210) keinerlei Änderung des Remissionsverhaltens.

Claims

-1- 299 B95 Patentansprüche:

Schwarze Konversionsschichten auf Titanwerkstoffen mit nahezu gleichem optischem Absorptiono- und thermischem Emissionsvermögen, gekennzeichnet dadurch, daß diese Schichten Titan, Chrom und Kupfer in den Verhältnissen von Cr:Ti - 1 :(1,9 bis 2,2) und Cr:Cu = 1 :(0,8 bis 1,3) enthalten und hoheThermovakuumstabilitäten aufweisen.