DE10005998B4

DE10005998B4 - Wärmeschutzbeschichtung sowie Verwendung einer Wärmeschutzbeschichtung zur Beschichtung eines Wärmestrahlung abgebenden Bauteiles

Info

Publication number: DE10005998B4
Application number: DE2000105998
Authority: DE
Inventors: Hans Dr. Bauer; Hans-Günther Prof.-Dr.-Ing. Haldenwanger
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2000-02-11
Filing date: 2000-02-11
Publication date: 2004-05-13
Anticipated expiration: 2020-02-12
Also published as: DE10005998A1

Abstract

Wärmeschutzbeschichtung aus einem keramischen Material, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Material aus Titanoxid und Yttriumoxid besteht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmeschutzbeschichtung sowie die Verwendung einer Wärmeschutzbeschichtung zur Beschichtung eines Wärmestrahlung abgebenden Bauteiles.
Wärmeschutzbeschichtungen dienen dazu, die Abgabe von Wärme aus heißgasgefüllten Räumen zu verringern. Im Kraftfahrzeug- und Motorenbau werden solche Wärmeschutzbeschichtungen insbesondere auf Abgaskrümmern, Vorrohren und Katalysatoren verwendet, um die Temperatur in dem diese Teile umgebenden Motorraum auf möglichst niedrigem Niveau zu halten.

Aus DE 197 21 796 A1 sind keramische Zirkonoxid- und Emaillebeschichtungen und damit beschichtete Bauteile bekannt, 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 genannten Schichten mit Hilfe eines Flamm- oder Plasmaspritzverfahrens aufgetragen werden können.

Ferner ist aus DE 196 40 461 A1 eine keramische Wärmeschutzschicht sowie ein Verfahren zu deren Herstellung bekannt, die dazu dient, Metalloberflächen zu schützen, die hohen thermischen Belastungen ausgesetzt sind. Die Wärmeschutzschicht, die nicht dazu dient, die Wärmeabstrahlung zu vermindern, basiert auf Titantetraisopropylat.

Schließlich sind aus DE 41 03 994 C2 Schutzüberzüge gegen Hitzeeinwirkung auf Bauteile vom Typ Metall-Keramik bekannt, wobei sich DE 41 03 994 C2 insbesondere mit dem Schutz von Gasturbinenschaufeln befaßt. Ein Schutz gegen die Folgen einer Hitzeeinwirkung wird bei diesen Schutzüberzügen durch die Verwendung eines Yttriumoxid stabilisierten Zirkoniumdioxids als keramischer Außenschicht erreicht, wobei auch Diboride von Metallen der Untergruppe IV, Cersulfide und metallisches Zirkonium Verwendung finden. Wie die DE 196 40 461 A1 schweigt die DE 41 03 994 C2 zur Hitzeabstrahlung von Bauteilen, die mit den aus diesen Schriften bekannten Schutzschichten versehen sind.

Hinsichtlich der Wärmeabstrahlung hat sich gezeigt, daß bei ungünstiger Konstellation 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 Wärmeschutzbeschichtung mit niedrigem Infrarot Emissionsgrad ε insbesondere bei hohen Temperaturen zur Verfügung zu stellen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 15.

Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, daß die Wärmeschutzbeschichtung aus einem keramischen Material besteht, welches aus Titanoxid und Yttriumoxid besteht. 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 niedrige Emissionsgrade erzielbar, wobei eine Kombination mit Yttriumoxid (Y₂O₃) besonders vorteilhaft ist. Ein Mischungsverhältnis 45,5 Mol TiO₂/54,5 Mol Y₂O₃ oder 55 Mol TiO₂/45 Mol Y₂O₃ kann als ideal angesehen werden.

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

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

Um ein Durchstrahlen der IR-Strahlung durch die Beschichtung zu verhindern, sollte die optische Dicke der Beschichtung 40 sein. Dabei ist eine geometrische Schichtdicke der Beschichtung von 0,75mm bis 1,0mm, vorzugsweise 0,8mm vorteilhaft, da sich bei einer solchen Schichtdicke die Beschichtung 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 bei der Verwendung einer erfindungsgemäßen Wärmeschutzbeschichtung an Wärmestrahlung abgebenden Bauteilen, wobei vorzugsweise zwischen dem Strukturkörper des Bauteils und der Wärmeschutzbeschichtung eine Haftvermittlungsschicht, insbesondere aus Metalloxid vorgesehen sein sollte, die zudem die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten ausgleichen soll.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung.

Ein Verbrennungsmotor weist beispielsweise einen Abgaskrümmer auf, welcher an einem dem Verbrennungsmotor benachbart liegenden Kunststoffteil vorbeiführt. Der Abgaskrümmer, welcher ein Wärmestrahlung abgebendes Bauteil im Sinne der Erfindung ist, weist eine Wärmeschutzbeschichtung auf, welche den von dem Abgaskrümmer ausgehenden Strom Strahlungswärme Q_S gegenüber einem unbeschichteten Abgaskrümmer vermindert.

Eine erfindungsgemäße Wärmeschutzbeschichtung, die an der Stelle einer Wärmeschutzbeschichtung gemäß dem Stand der Technik verwendbar ist, besteht einphasig aus Yttriumtitanoxid Y₂Ti₂O₇ (Pyrochlorstruktur) und weist eine Schichtdicke von 0,77 mm auf. Die Zusammensetzung ist 45,5 TiO₂/ 54,5 Y₂O₃. Das Ausgangsgemisch zur Schichterzeugnung aus TiO₂ und Y₂O₃ wurde mit 150 MPa verdichtet und bei 1400°C gesin tert und besitzt eine Porosität von 29,8, wobei die durchschnittliche Porengröße um 3 μm beträgt. Die optische Dicke der Wärmeschutzbeschichtung, die sich aus dem Extinktionskoeffizienten 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 Grauguß gefertigtem Strukturkörper des Abgaskrümmers und der Wärmeschutzbeschichtung ist eine Zwischenschicht aus Metalloxid vorgesehen.

Eine andere Wärmeschutzbeschichtung besteht aus zwei Phasen, wobei Y₂Ti₂O₇-Partikel in einer Y₂O₃- oder TiO₂- Matrix eingelagert sind. Die Zusammensetzung der Y₂Ti₂O₇- Partikel in der Kristallstruktur 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 Emissionsgrad ε_T ist bei 900°C 0,20. Eine derartige Beschichtung kann mittels Plasma- oder Hochgeschwindigkeitsflammspritzen 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) eingelagert, wobei die Y₂Ti₂O₇-Partikel im wesentlichen die Porösität bedingen.

Claims

Wärmeschutzbeschichtung aus einem keramischen Material, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Material aus Titanoxid und Yttriumoxid besteht.
Wärmeschutzbeschichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Material 40–60 Mol% Titanoxid (TiO₂) aufweist.
Wärmeschutzbeschichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Material 40–60 Mol% Yttriumoxid (Y₂O₃) aufweist.
Wärmeschutzbeschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem keramischen Material die Pyrochlorstruktur ausgebildet ist.
Wärmeschutzbeschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Material ein Mischungsverhältnis 45, 5 Mol TiO₂/54,5 Mol Y₂O₃ oder 55 Mol TiO₂/45 Mol Y₂O₃ aufweist.
Wärmeschutzbeschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Material im wesentlichen einphasig in der Pyrochlorstruktur vorliegt und aus Yttriumtitanoxid in der Form Y₂Ti₂O₇ besteht.
Wärmeschutzbeschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 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.
Wärmeschutzbeschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Porosität der Beschichtung 20% bis 40%, vorzugsweise 29% bis 30% beträgt.
Wärmeschutzbeschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Material bei 1320°C bis 1500°C, vorzugsweise 1400°C gesintert worden ist.
Wärmeschutzbeschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Dicke der Beschichtung 40 ist.
Wärmeschutzbeschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die geometrische Schichtdicke der Beschichtung 0,75mm bis 1,0mm, vorzugsweise 0,8mm beträgt.
Wärmeschutzbeschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß in dem keramischen Material weniger als 1%, vorzugsweise kein chemisch gebundenes Wasser enthalten ist.
Wärmeschutzbeschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Material einen Emissionsgrad ε < 0,2, vorzugsweise ε < 0,1 aufweist.
Wärmeschutzbeschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Material eine Schichtdicke aufweist, bei der die Transmission < 0, 1, vorzugsweise Null ist.
Verwendung einer Wärmeschutzbeschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 zur Beschichtung eines Wärmestrahlung abgebenden Bauteiles.
Verwendung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem Strukturkörper des Bauteils und der Wärmeschutzbeschichtung eine Haftvermittlungsschicht, insbesondere aus Metalloxid verwendet wird.