DE102007026746A1

DE102007026746A1 - Flammspritzpulver und Verfahren zur Herstellung einer hochtemperaturbeständigen Beschichtung

Info

Publication number: DE102007026746A1
Application number: DE102007026746A
Authority: DE
Inventors: Alfred Flamang
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-06-09
Filing date: 2007-06-09
Publication date: 2008-12-11

Abstract

Flammspritzpulver, insbesondere Hochgeschwindigkeitsflammspritzpulver, wobei das Flammspritzpulver Zirkoniumoxid und zumindest ein Bindemittel aus einem von Zirkonium verschiedenen Metall aufweist.

Description

Die Erfindung betriff ein Flammspritzpulver, insbesondere Hochgeschwindigkeitsflammspritzpulver.
Flammspritzpulver aus Keramik, mit denen die Oberflächeneigenschaften von Metallen verändert werden können, sind aus der Praxis bekannt. So werden häufig Metalloberflächen von thermisch stark beanspruchten Maschinenteilen mit Keramikbeschichtungen versehen. Diese Beschichtungen dienen insbesondere dazu, die Widerstandsfähigkeit der beschichteten Metalloberflächen bei hohen Temperaturen gegenüber korrosiven Medien zu erhöhen. Allerdings ist die Beständigkeit der aus der Praxis bekannten keramischen Beschichtungen gegenüber großen Temperatursprüngen bzw. thermischen Schocks meist nicht zufriedenstellend. Thermische Schocks können mechanische Spannungen zwischen der Metalloberfläche und der Beschichtung hervorrufen, wodurch ein bereichsweises Abplatzen der Beschichtung hervorgerufen werden kann. Der Verlust der Oberflächenschutzschicht führt in korrosiven Milieus bei hoher Temperatur zu einer deutlich beschleunigten Abnutzung bzw. Korrosion der Metalloberflächen, was wiederum zu einer Verkürzung der Standzeiten der betroffenen Maschinenteile führen kann. Darüber hinaus ist auch die mechanische Beständigkeit der aus der Praxis bekannten Keramikbeschichtungen teilweise nicht zufrieden stellend.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Flammspritzpulver anzugeben, mit dem Beschichtungen auf Oberflächen aufgebracht werden können, mit dem die aus der Praxis bekannten Nachteile überwunden werden, die sich durch eine hervorragende thermische Beständigkeit auszeichnen und die auch bei hohen Temperaturen korrosionsbeständig sind.
Zur Lösung des technischen Problems lehrt die Erfindung ein Flammspritzpulver, insbesondere Hochgeschwindigkeitsflammspritzpulver, wobei das Flammspritzpulver Zirkoniumoxid und zumindest ein Bindemittel aus einem von Zirkonium verschiedenen Metall aufweist. Es hat sich bewährt, das Flammspritzpulver zum Aufbringen von Hochgeschwindigkeitsbeschichtungen einzusetzen. Diese Beschichtungen werden vorzugsweise durch Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, auch HVOF(High Velocity Oxygen-Fuel)-Verfahren genannt, erzeugt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Flammspritzpulver aus Zirkoniumoxid und dem zumindest einen Bindemittel gesintert. Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Flammspritzpulver durch Agglomerieren und Sintern von Zirkoniumoxid und dem zumindest einen Bindemittel hergestellt. Weiterhin liegt im Rahmen der Erfindung, dass die Darstellung des Flammspritzpulvers durch Agglomerieren und/oder Sintern und/oder heiße Zerstäubungstrocknung erfolgt. Grundsätzlich ist eine Herstellung auch durch Herunterbrechen und Mahlen von grünem Metall bzw. Grünlingen möglich. Die Partikelgröße des Flammspritzpulvers beträgt vorzugsweise 10 bis 60 μm bevorzugt 10 bis 50 μm und sehr bevorzugt 15 bis 45 μm.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass das Bindemittel zumindest teilweise aus Nickel besteht. Empfohlenermaßen weist das Bindemittel einen Nickelanteil von zumindest 50 Gew.-% auf. Vorzugsweise weist das Bindemittel einen Nickelanteil von zumindest 75 Gew.-%, bevorzugt von zumindest 90 Gew.-% und besonders bevorzugt von zumindest 95 Gew.-% auf. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform besteht das Bindemittel ausschließlich aus Nickel oder im Wesentlichen aus Nickel.
In einer weiteren Ausführungsform besteht das Bindemittel aus Nickel und zumindest einem weiteren Metall. Vorzugsweise ist das zumindest eine weitere Metall von Zirkonium verschieden. Zweckmäßigerweise ist das zumindest eine weitere Metall aus der Gruppe der Nebengruppenmetalle ausgewählt und bevorzugt ist das zumindest eine weitere Metall ein Metall aus der ersten Nebengruppe. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das weitere Metall Kupfer. Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass das Bindemittel mindestens zu 90 Gew.-%, bevorzugt mindestens zu 95 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens zu 98 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt ausschließlich aus einer Mischung aus Nickel und Kupfer besteht. Das Bindemittel besteht vorzugsweise zu 20 Gew.-% bis 95 Gew.-%, bevorzugt zu 30 Gew.-% bis 85 Gew.-% und besonders bevorzugt zu 35 Gew.-% bis 80 Gew.-% aus Nickel. Grundsätzlich sind auch andere Metallkombinationen möglich.
Vorzugsweise besteht das Flammspritzpulver zu 45 Gew.-% bis 80 Gew.-%, zweckmäßigerweise zu 50 Gew.-% bis 75 Gew.-%, bevorzugt zu 55 Gew.-% bis 75 Gew.-% und sehr bevorzugt zu 60 Gew.-% bis 70 Gew.-% aus Zirkoniumoxid und im Rest aus Bindemittel, insbesondere aus Nickel oder aus Nickel/Kupfer. Es hat sich bewährt, dass das Flammspritzpulver 65 Gew.-% bzw. etwa 65 Gew.-% Zirkoniumoxid aufweist.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer hochtemperaturbeständigen Beschichtung mit einem erfindungsgemäßen Flammspritzpulver, wobei die Beschichtung durch ein thermisches Spritzverfahren mit dem Flammspritzpulver erzeugt wird. Thermisches Spritzverfahren meint im Rahmen der Erfindung insbesondere Flüssigbrennstoff-Hochgeschwindigkeitsflammspritzen. In anderen Ausführungsformen des Verfahrens ist es auch möglich, die Beschichtung durch Pulverflammspritzen oder Plasmaspritzen auf eine Oberfläche aufzutragen. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten Beschichtungen weisen einen optimalen Widerstand gegen Hochtemperaturkorrosionen auf. Dadurch eignen sich die beschichteten Bauteile insbesondere für den Einsatz in thermisch und/oder oxidativ beanspruchten Anlagenteilen, wie zum Beispiel in Brennräumen, insbesondere von Motoren und Verbrennungsanlagen, sowie in Turbinen.
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die Beschichtung durch Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF) erzeugt. Bei diesem Verfahren wird ein brennbares fluides Medium, insbesondere ein Brenngas oder ein Flüssigbrennstoff, in einem Sauerstoffstrom verbrannt. Besonders bevorzugt wird im Rahmen der Erfindung Kerosin als Flüssigbrennstoff eingesetzt. Zur Erhöhung der Geschwindigkeit des Gasstrahls erfolgt die Verbrennung unter Druck, so dass Gasstrahlgeschwindigkeiten von ungefähr 2000 m/sec erreichbar sind. Kennzeichnend für die hohen Geschwindigkeiten des Gasstrahls sind die deutlich sichtbaren Überschallknoten im Gasstrahl. Das Flammspritzpulver wird in den Gasstrahl der Flüssigbrennstoff-Sauerstoffflamme injiziert, wobei das Flammspritzpulver in dem Gasstrahl erwärmt wird und anschließend auf die Oberfläche gespritzt wird.
Nach bevorzugter Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Beschichtung in einer Schichtdicke von 0,05 mm bis 1,5 mm, vorzugsweise von 0,1 mm bis 1,0 mm aufgebracht. Letztgenannte Schichtdicken haben sich im Rahmen der Erfindung besonders bewährt. Die auf die Oberflächen aufgetragenen Schichten zeichnen sich vor allem dadurch aus, dass sie durchgängig dicht sind und ein festes Gefüge ausbilden. Dabei haften die Beschichtungen spannungsfrei bzw. im Wesentlichen spannungsfrei auf der Oberfläche.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass die Beschichtung auf Komponenten bzw. Maschinenkomponenten aufgebracht wird, die in Kontakt mit Verbrennungsvorgängen stehen. Mit anderen Worten wird die Beschichtung auf Komponenten bzw. Bauteile aufgebracht, die den thermischen Belastungen von Verbrennungsvorgängen ausgesetzt sind. Dabei handelt es sich insbesondere um Kolbenoberflächen in Brennkraftmaschinen, vor allem von Großdieselmotoren. Mit der erfindungsgemäßen Beschichtung ist es auch möglich, die Beständigkeit von Brennräumen von Müllverbrennungsanlagen gegenüber thermischen und/oder oxidativen Beanspruchungen zu erhöhen. Empfohlenermaßen können auch Turbinenteile, insbesondere Turbinenschaufeln einer Gasturbine, erfindungsgemäß beschichtet werden. Weiterhin liegt im Rahmen der Erfindung, die Beschichtung auf Komponenten aufzubringen, die aus Molybdän und/oder Tantal und/oder Titan und/oder anderen Metallen gefertigt sind und hohen Temperaturbeanspruchungen und/oder Heißgaskorrosion in chemisch aggressiver Umgebung ausgesetzt sind.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, das mit dem erfindungsgemäßen Flammspritzpulver Beschichtungen erzeugt werden können, die auch bei hohen Temperaturen eine gegenüber den aus der Praxis bekannten Keramikbeschichtungen überraschende Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Besonders gegenüber großen Temperatursprüngen bzw. thermischen Schocks erweist sich die Beschichtung als unerwartet beständig. Die erzeugten Beschichtungen weisen in vorteilhafter Weise eine durchgängig dichte Oberfläche und ein festes Gefüge auf. Dadurch ist auch ausgeschlossen, dass insbesondere korrosive Medien durch Spalten oder Poren der Beschichtung bis auf die Oberfläche des entsprechenden Bauteils gelangen und dieses schädigen können. Besonders bewährt haben sich die erfindungsgemäßen Beschichtungen auf Kolbenoberflächen von Verbrennungsmaschinen, in Brennräumen von beispielsweise Müllverbrennungsanlagen oder auf thermisch und oxidativ stark beanspruchten Bauteilen von Turbinen, insbesondere von Gasturbinen. Durch die Zusammensetzung des Flammspritzpulvers bzw. des Verschleißschutzwerkstoffes können zudem die Eigenschaften der Beschichtungen den Anforderungen entsprechend optimal eingestellt werden, so dass ein effektiver Schutz gewährt wird. Die mit dem erfindungsgemäßen Flammspritzpulver erzeugte Beschichtung haftet spannungsfrei bzw. nahezu spannungsfrei auf der Oberfläche, so dass die mechanische Belastbarkeit der beschichteten Bauteile quasi nicht beeinflusst wird.

Claims

Flammspritzpulver, insbesondere Hochgeschwindigkeitsflammspritzpulver, wobei das Flammspritzpulver Zirkoniumoxid und zumindest ein Bindemittel aus einem von Zirkonium verschiedenen Metall aufweist.
Flammspritzpulver nach Anspruch 1, wobei das Flammspritzpulver aus dem Zirkoniumoxid und dem zumindest einen Bindemittel gesintert ist.
Flammspritzpulver nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Bindemittel zumindest teilweise aus Nickel besteht.
Flammspritzpulver nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Bindemittel aus Nickel und zumindest einem weiteren Metall besteht.
Flammspritzpulver nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Flammspritzpulver zu 45 Gew.-% bis 80 Gew.-%, zweckmäßigerweise zu 50 Gew.-% bis 75 Gew.-%, bevorzugt zu 55 Gew.-% bis 75 Gew.-% und sehr bevorzugt zu 60 Gew.-% bis 70 Gew.-% aus Zirkoniumoxid und im Rest aus Bindemittel, insbesondere aus Nickel besteht.
Verfahren zur Herstellung einer hochtemperaturbeständigen Beschichtung mit einem Flammspritzpulver nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Beschichtung durch ein thermisches Spritzverfahren mit dem Flammspritzpulver erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Beschichtung durch Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei die Beschichtung in einer Schichtdicke von 0,05 mm bis 1,5 mm, vorzugsweise von 0,1 mm bis 1,0 mm aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die Beschichtung auf Komponenten bzw. Maschinenkomponenten aufgebracht wird, die in Kontakt mit Verbrennungsvorgängen stehen.