DE10005998A1

DE10005998A1 - Wärmeschutzbeschichtung

Info

Publication number: DE10005998A1
Application number: DE2000105998
Authority: DE
Inventors: Hans Bauer; Hans-Guenther Haldenwanger
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2000-02-11
Filing date: 2000-02-11
Publication date: 2001-08-23
Anticipated expiration: 2020-02-12
Also published as: DE10005998B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärmeschutzbeschichtung und ein Wärmestrahlung abgebendes Bauteil mit einer Wärmeschutzbeschichtung. Um eine Wärmeschutzbeschichtung mit niedrigem Emissioinsgrad epsilon zur Verfügung zu stellen, ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß das keramische Material der Wärmeschutzbeschichtung Titan enthält.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmeschutzbeschichtung und ein Wärmestrahlung abgebendes Bauteil mit einer Wärmeschutzbe schichtung.

Wärmeschutzbeschichtungen dienen dazu, die Abgabe von Wärme aus heißgasgefüllten Räumen zu verringern. Im Kraftfahr zeug- und Motorenbau werden solche Wärmeschutzbeschichtun gen insbesondere auf Abgaskrümmern, Vorrohren und Katalysa toren verwendet, um die Temperatur in dem diese Teile umge benden Motorraum auf möglichst niedrigem Niveau zu halten.

Aus DE 197 21 796 A1 sind keramische Zirkonoxid- und Emaillebeschichtungen und damit beschichtete Bauteile be kannt, welche einen Emissionsgrad ε < 0,5 aufweisen. Mit keramischem Zirkonoxid oder Emaille beschichtete Bauteile weisen eine verringerte IR-Abstrahlung auf, so daß auch thermisch wenig beständige Kunststoffteile in der Umgebung der beschichteten Teile ohne Hitzeschilde verwendbar sind. Aus der genannten Druckschrift ist bekannt, daß die genann ten Schichten mit Hilfe eines Flamm- oder Plasmaspritzver fahrens aufgetragen werden können.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß bei ungünstiger Konstella tion im Motorraum der Emissionsgrad ε der aus DE 197 21 796 A1 bekannten Wärmeschutzbeschichtungen noch zu hoch ist, um die IR-Abstrahlung ausreichend zu verringern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärmeschutz beschichtung mit niedrigem Infrarot Emissionsgrad ε insbe sondere bei hohen Temperaturen zur Verfügung zu stellen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der Ansprüche 1, 2 bzw. 16.

Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, daß die Wärmeschutzbe schichtung aus einem keramischen Material besteht, welches Titan und/oder Yttrium enthält. Es hat sich herausgestellt, daß bei Verwendung dieser Materialien sich ein besonders wirksamer Wärmeschutz erzielen läßt.

Vorzugsweise bildet sich in dem keramischen Material eine Pyrochlorstruktur mit der Zusammensetzung Y₂Ti₂O₇ aus. Diese hat den Vorteil, daß kein Wasser aufgenommen wird, welches den Emissionsgrad verschlechtern würde. Bei einem hohen Anteil Y₂Ti₂O₇ in Pyrochlorstruktur ist auch der Anteil eingelagerten, chemisch gebundenen Wassers gering.

Wenn das keramische Material der Wärmeschutzbeschichtung 40 -60 Mol% Titanoxid (TiO₂) aufweist, sind besonders nied rige Emissionsgrade erzielbar, wobei eine Kombination mit Yttriumoxid (Y₂O₃) besonders vorteilhaft ist. Ein Mi schungsverhältnis 45,5 Mol TiO₂/54,5 Mol Y₂O₂ oder 55 Mol TiO₂/45 Mol Y₂O₃ kann als ideal angesehen werden.

Vorzugsweise wird dieses Mischungsverhältnis durch Erzeu gung eines Gemisches aus pulverisiertem TiO₂ und Y₂O₃ er zeugt. Das Gemisch wird mit einem Druck von ca. 150 MPa verdichtet (verpreßt). Durch Variation des Pressdrucks kann die Porosität variert werden. Eine Porosität der Beschich tung von 20% bis 40%, vorzugsweise 29% bis 30% zeigt beson ders niedrige Emissionsgrade.

Das keramische Material sollte bei 1320°C bis 1500°C, vor zugsweise 1400°C gesintert worden sein oder ein einem Ge füge nach Sinterung entsprechendes Gefüge aufweisen. Ein solches Gefüge weist eine besonders günstige Phasenausbil dung und Porosität auf.

Um ein Durchstrahlen der IR-Strahlung durch die Beschich tung zu verhindern, sollte die optische Dicke der Beschich tung 40 sein. Dabei ist eine geometrische Schichtdicke der Beschichtung von 0,75 mm bis 1,0 mm, vorzugsweise 0,8 mm vor teilhaft, da sich bei einer solchen Schichtdicke die Be schichtung auch bei Temperaturwechseln nicht ablöst.

Wenn das keramische Material der Wärmeschutzbeschichtung einen Emissionsgrad ε < 0,2, vorzugsweise ε < 0,1 aufweist, können solchermaßen beschichtete Bauteile praktisch überall ohne zusätzliche Hitzeschilde verwendet werden.

Die Vorteile der Erfindung zeigen sich besonders an Wär mestrahlung abgebenden Bauteilen, wobei vorzugsweise zwi schen dem Strukturkörper des Bauteils und der Wärmeschutz beschichtung eine Haftvermittlungsschicht, insbesondere aus Metalloxid vorgesehen sein sollte, die zudem die unter schiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten ausgleichen soll.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Motorraum mit einem an einem Verbrennungsmotor angeordneten erfindungsgemäßen Bauteil mit Wärme schutzbeschichtung,

Fig. 2 eine REM-Gefügeaufnahme der Wärmeschutzbeschichtung,

Fig. 3 ein Diagramm, in welchem die Summenhäufigkeit der Porenverteilung in % der Wärmeschutzbeschichtung in Fig. 2 aufgetragen ist,

Fig. 4 ein Diagramm, in welchem der berechnete totale Emis sionsgrad der Wärmeschutzbeschichtung über der Tem peratur dargestellt ist, und

Fig. 5 ein Diagramm, in welchem der gemessene, spektrale gerichtet-hemisphärische Reflektionsgrad der Wärme schutzbeschichtung dargestellt ist.

In Fig. 1 ist schematisch ein Motorraum mit einem darin an geordneten Verbrennungsmotor 10 gezeigt. Der Verbrennungs motor 10 weist einen Abgaskrümmer 12 auf, welcher an einem dem Verbrennungsmotor 10 benachbart liegenden Kunststoff teil 14 vorbeiführt. Der Abgaskrümmer 12, welcher ein Wär mestrahlung abgebendes Bauteil im Sinne der Erfindung ist, weißt eine Wärmeschutzbeschichtung 16 auf, welche den von dem Abgaskrümmer 12 ausgehenden Strom Strahlungswärme Q_S gegenüber einem unbeschichteten Abgaskrümmer vermindert.

Die Wärmeschutzbeschichtung 16, die in Fig. 2 in einer REM- Aufnahme gezeigt ist und deren Eigenschaften durch die Fig. 3 bis 5 erläutert sind, besteht einphasig aus Yttriumti tanoxid Y₂Ti₂O₇ (Pyrochlorstruktur) und weist eine Schicht dicke von 0,77 mm auf. Die Zusammensetzung ist 45,5 TiO₂/ 54,5 Y₂O₃. Das Augangsgemisch zur Schichterzeugnung aus TiO₂ und Y₂O₃ wurde mit 150 MPa verdichtet und bei 1400°C gesin tert und besitzt eine Porosität von 29,8% auf, wobei die durchschnittliche Porengröße um 3 µm beträgt. Die optische Dicke der Wärmeschutzbeschichtung 16, die sich aus dem Ex tinktionskoeffizienten e* und der Massenbelegung m" nach der Formel T = e* . m" ergibt, liegt bei einem Albedo von 1 bei etwa 40. Der gemessene totale Emissionsgrad ε_T ist bei 900°C 0,20. Als Haftvermittlung zwischen dem aus Grau guß gefertigtem Strukturkörper 18 des Abgaskrümmers 12 und der Wärmeschutzbeschichtung 16 ist eine Zwischenschicht (nicht gezeigt) aus Metalloxid vorgesehen.

Eine andere Wärmeschutzbeschichtung (nicht gezeigt) besteht aus zwei Phasen, wobei Y₂Ti₂O₇-Partikel in einer Y₂O₃- oder TiO₂-Matrix eingelagert sind. Die Zusammensetzung der Y₂Ti₂O₇-Partikel in der Kristalstruktur wie Pyrochlor ist 55 TiO₂/45 Y₂O₃. Die Partikel wurden durch Mischung, Pressung bei einem Druck von 150 MPa, Sinterung und anschließendem Brechen auf die gewünschte Partikelgröße erzeugt und weisen eine Porosität von 37% auf. Der gemessene totale Emis sionsgrad ε_T ist bei 900°C 0,20. Eine derartige Beschich tung kann mittels Plasma- oder Hochgeschwindigkeitsflamm spritzen appliziert werden. Dabei werden die wesentlich größeren Y₂Ti₂O₇ Partikel (Durchmesser ca. 20 bis 100 µm) in die beim Spritzprozeß aufgeschmolzene Matrix aus wesentlich kleineren TiO₂ oder Y₂O₃ Partikel (ca. 5 bis 10 µm) einge lagert, wobei die Y₂Ti₂O₇-Partikel im wesentlichen die Po rösität bedingen.

Claims

1. Wärmeschutzbeschichtung aus einem keramischen Material, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Material Titan enthält.

2. Wärmeschutzbeschichtung aus einem keramischen Material, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Material Yttrium enthält.

3. Wärmeschutzbeschichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem keramischen Material die Pyrochlorstruktur ausgebildet ist.

4. Wärmeschutzbeschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Material 40- 60 Mol% Titanoxid (TiO₂) aufweist.

5. Wärmeschutzbeschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Material 40- 60 Mol% Yttriumoxid (Y₂O₃) aufweist.

6. Wärmeschutzbeschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Material ein Mischungsverhältnis 45,5 Mol TiO₂/54,5 Mol Y₂O₃ oder 55 Mol TiO₂/45 Mol Y₂O₃ aufweist.

7. Wärmeschutzbeschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Material im wesentlichen einphasig in der Pyrochlorstruktur vorliegt und aus Yttriumtitanoxid in der Form Y₂Ti₂O₇ besteht.

8. Wärmeschutzbeschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Material eine Matrix aus Yttriumoxid in der Form Y₂O₃ oder Titanoxid in der Form TiO₂ mit darin eingelagerten Yttriumtitanoxid- Partikeln in der Form Y₂Ti₂O₇ aufweist.

9. Wärmeschutzbeschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Porosität der Beschichtung 20% bis 40%, vorzugsweise 29% bis 30% beträgt.

10. Wärmeschutzbeschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Material bei 1320°C bis 1500°C, vorzugsweise 1400°C gesintert worden ist.

11. Wärmeschutzbeschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Dicke der Beschichtung 40 ist.

12. Wärmeschutzbeschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die geometrische Schichtdicke der Beschichtung 0,75 mm bis 1,0 mm, vorzugsweise 0,8 mm beträgt.

13. Wärmeschutzbeschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß in dem keramischen Material weniger als 1%, vorzugsweise kein chemisch gebundenes Wasser enthalten ist.

14. Wärmeschutzbeschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Material einen Emissionsgrad ε < 0,2, vorzugsweise ε < 0,1 aufweist.

15. Wärmeschutzbeschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Material eine Schichtdicke aufweist, bei der die Transmission < 0, 1, vorzugsweise Null ist.

16. Wärmestrahlung abgebendes Bauteil mit einer wärmestrahlungsvermindernden Wärmeschutzbeschichtung (16) aus einem keramischen Material gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15.

17. Wärmestrahlung abgebendes Bauteil nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Strukturkörper (18) des Bauteils (12) und der Wärmeschutzbeschichtung (16) eine Haftvermittlungsschicht, insbesondere aus Metalloxid vorgesehen ist.