DE102006029894A1 - Verfahren zur Herstellung eines temperaturbeständigen Oxidationsschutzes für keramische und metallische Bauteile - Google Patents
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Abstract
Das Verfahren zur Herstellung eines temperaturbeständigen Oxidationsschutzes für keramische und metallische Bauteile wurde entwickelt, um zwei Funktionalitäten (Oxidationsschutz und Rissfreiheit) in einem Beschichtungssystem einzubringen. Basis des Systems ist ein dichtes temperaturbeständiges Bindemittel, in welches Oxidationsinhibitoren eingebracht werden. In dieses System können dann Effektstoffe wie Graphit, fluorierter Graphit, Bornitrid, Talkum oder andere Schichtmaterialien, die eine deutliche Verlängerung der Diffusionswege oxidativer Gase und Stoffe, eingearbeitet werden.
Description
- Stand der Technik
- Bei allen Hochtemperaturanwendungen existiert schon seit je her das Problem der Oxidation. Viele keramische Hochtemperaturwerkstoffe wie SiC, SiN oder Schamott, aber auch metallische Werkstoffe, insbesondere Stahl, können davon betroffen sein. Diese Oxidation wird durch Anwesenheit von Halogenen und/oder Alkalien in der Atmosphäre bei steigender Temperatur zunehmend schneller. Mechanische Bauteile verlieren ihre Festigkeit und metallisch Bauteile ihre Funktion. Oft werden die porösen Keramiken mit Si-Komponenten oder Opferschichten infiltriert, wie auch in
DD PS 2 15 019 DE-OS 30 11 878 , nämlich das Aufbringen von Plasmaschichten. Allerdings stellt sich auch hier das Problem der Mikrorissbildung bei Aufheizen der Bauteile, was wiederum zur Oxidation führt. Der Vorwurf der Unvollkommenheit der Homogenität der Schutzschicht wird im Ansatz durchDE 43 09 267 C1 beseitigt. Dieses Patent beschreibt das Applizieren einer glasurbildenden Salzlösung, die durch einen hohen Anteil an Carbonsäuren stabilisiert wird. Dieser hohe Säureanteil kann bei der Gelbildung Fehlstellen bewirken, die beim thermischen Aushärten der Metallsalzlösungen erste Mikrorisse entstehen lassen. An diesen Stellen beginnt wiederum die Oxidation des Substratmaterials. Ein weiteres Problem aller bisherigen Beschichtungs- oder Infiltrationsmaterialien ist das Anbacken von den oxidativen Feststoffen. Bisher ist kein Verfahren bekannt, dies bei hohen Temperaturen zu unterdrücken oder zu verhindern. - Aufgabe der Erfindung
- Die Hochtemperaturoxidation ist in vielen Bereichen, z.B. im Ofen oder Katalysatorenbau, in denen keramische und metallische Werkstoffe eingesetzt werden ein großes Problem. Bisher sind keine werkstofftechnischen Lösungen bekannt, die die Oxidation entsprechender Bauteile effektiv verhindern, da bestenfalls immer noch Mikrorisse in Beschichtungen entstehen, die die Diffusion korrosiver Gase ermöglichen. Diese Aufgaben, der Oxidationsschutz und die Ausbildung einer rissfreien Schutzschichte werden erfindungsgemäß durch die beanspruchte Beschichtung sowie das Verfahren zur Herstellung dieser Beschichtung gelöst. Basis der Problemlösung ist einerseits eine dichte Oxidation verhindernde Komponente, andererseits Effektstoffe, die Ihre Wirkung unabhängig der Temperatur zeigen. Teilweise können diese Effektstoffe durch Ihre Schichtstruktur in bedeutendem Maße zum Oxidationsschutzbeitragen. Der oxidationsinhibierende Effekt beruht auf den stark vergrößerten Diffusionswegen der korrosiven Gase durch diese Plättchen- und Schichtstruktur. Analoge Systeme sind im Bereich der Lebensmittelindustrie als Additive für Barrierefolien zu finden. Zweckdienlicherweise sollten diese Effektstoffe über die gesamte Schichtdicke homogen verteilt sein, um optimale Wirkung zu entfalten. Diese Effektstoffe können aus der Gruppe von MoS2, Graphit, Graphitfluorid, BN, CaF2, PbO, MoSe2, MoS2, MoTe2, WS2, WSe2, WTe2, WO2, NbS2, NbSe2, NbTe2, TaS2, TaSe2, TaTe2, TiS2, TiSe2, TiTe2, TiO2, ZrS2, ZrSe2, ZrTe2, ZrO2, Kohlenstoff sowie in Silikaten wie z.B. Talkum, Glimmer und verwandten Materialien gemäß den Einsatzbedingungen ausgewählt werden. Als temperaturstabiles anorganisches Bindersystem werden Materialien aus der Gruppe der Wassergläser, des Monoaluminiumphosphates, der Wolframate, sowie präkeramische Polymere wie Zirkoncarbonate bevorzugt. Der besondere Vorteil dieser Stoffgruppen liegt in einer absoluten Gasdichte bei Einbrenntemperaturen ab 200°C.
- Beschreibung der Erfindung
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung Oxidationsschützender Beschichtungen auf keramischen oder metallischen Werkstoffen. Die Erfindung ist besonders geeignet keramische Materialien, die ihren Einsatz in Öfen oder Verbrennungsanlagen, oder chemische Anlagen, bzw. deren Peripherie haben, vor Hochtemperaturoxidation und Anbackungen oxidativer Feststoffe zu schützen. Durch den Auftrag der erfindungsgemäßen Beschichtung wird die Lebensdauer der teuren Werkstoffe deutlich erhöht. Zudem geht die Effizienzssteigerung der Anlagen mit dem beschriebenen Verhalten einher.
- Beispiele
- Beispiel
-
- 420 g Monnoalumiumphosphat
- 10 g Petalit
- 50 g Titannitrid
- 80 g Calciumphosphat
- 150g Enstatit
- 90 g Chrom-III-oxid
Claims (11)
- Verfahren zur Herstellung oxidationsschützender Beschichtungen für den Hochtempraturbereich dadurch gekennzeichnet, dass zwei Funktionalitäten, nämlich Oxidationsschutz und Rißfreiheit in einer Schicht vereinigt werden.
- Verfahren gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass als Matrixmaterial glasartige und glaskeramische Verbindungen eingesetzt werden, die durch chemische Reaktion mit der Substratoberfläche eine verstärkte Gasbarriere erzeugen.
- Verfahren gemäß Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die plättchenförmigen Effektstoffe durch ihren Gleiteffekt in Kombination mit der Plastizität des Matrixmaterials eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit der Beschichtung erzeugen.
- Verfahren gemäß Anspruch 1–3 dadurch gekennzeichnet, dass die Effektstoffe gleichzeitig als Oxidationsinhibitoren wirken. Weitere aktive Oxidationsinhibitoren können diesen Oxidationsschutz – je nach Einsatzbedingungen – optimieren.
- Verfahren gemäß Anspruch 1–4 dadurch gekennzeichnet, dass die Effektstoffe aus der Gruppe MoS2, Graphit, Graphitfluorid, BN, CaF2, PbO, MoSe2, MoS2, MoTe2, WS2, WSe2, WTe2, WO2, NbS2, NbSe2, NbTe2, TaS2, TaSe2, TaTe2, TiS2, TiSe2, TiTe2, TiO2, ZrS2, ZrSe2, ZrTe2, ZrO2, Kohlenstoff, sowie aus Silikaten wie z.B. Talkum, Glimmer und verwandten Materialien, je nach Anwendungsbereich ausgewählt werden.
- Verfahren gemäß Anspruch 1–5 dadurch gekennzeichnet, mindestens ein Effektstoff Anwendung findet.
- Verfahren gemäß Anspruch 1–6 dadurch gekennzeichnet, dass zu den Effektstoffen metallische Reaktivverbindungen wie z.B. Cr, Al, Zn, Ni eingesetzt werden, die den Oxidationsschutz verbessern und gleichzeitig die Matrix verdichten.
- Verfahren gemäß Anspruch 1–7 dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliche anorganische Füllstoffe in die Matrix eingebracht werden, die mit oxidativen Gasen zu weniger schädlichen Salzen abreagieren und die somit zur Verminderung der Oxidation der keramischen Substrate beitragen.
- Verfahren gemäß Anspruch 1–9 dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungslösung auf keramische oder metallische Substrate mittels Sprühen, Rollen, Tauchen oder Fluten appliziert wird.
- Verfahren gemäß Anspruch 1–9 dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung auf Anlagenneuteile (ab Werk), oder auf bereits sich in Betrieb befindlichen Anlagenteile aufgebracht werden kann.
- Verfahren gemäß Anspruch 1–10 dadurch gekennzeichnet, dass die applizierte Schicht thermisch (ab 200°C) ausgehärtet wird.
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