DE102014018693A1 - Method for producing a thermal barrier coating and thermal barrier coating produced by this method - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Wärmedämmschicht (39, 130) auf einem Bauteil (10, 110), gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: a) Zermahlen eines Glaswerkstoffs zu einem ersten Feststoff in Form eines Pulvers; b) Mischen des Pulvers mit mindestens einem Verflüssiger zu einer Suspension; c) Verarbeiten der Suspension (10, 110) mittels eines Hochgeschwindigkeits-Flammspritzverfahrens, wobei c1) die flüssige Phase der Suspension (10, 110) in der Flamme verdampft wird; c2) der Glaswerkstoff angeschmolzen oder aufgeschmolzen wird und anschließend auf dem Bauteil abgeschieden wird. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine derartige Wärmedämmschicht (30, 130) sowie einen mit einer derartigen Wärmedämmschicht versehenen Kolben.The present invention relates to a method for producing a thermal barrier coating (39, 130) on a component (10, 110), characterized by the following features: a) grinding a glass material into a first solid in the form of a powder; b) mixing the powder with at least one liquefier to form a suspension; c) processing the suspension (10, 110) by means of a high-speed flame spraying process, wherein c1) the liquid phase of the suspension (10, 110) is evaporated in the flame; c2) the glass material is melted or melted and then deposited on the component. The present invention further relates to such a thermal barrier coating (30, 130) and a piston provided with such a thermal barrier coating.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Wärmedämmschicht sowie eine mittels dieses Verfahrens hergestellte Wärmedämmschicht.The present invention relates to a method for producing a thermal barrier coating and to a thermal barrier coating produced by means of this method.

Eine gattungsgemäße Wärmedämmschicht, u. a. für Gasturbinen, ist aus der deutschen Patentschrift DE 198 52 285 C1 bekannt. Diese bekannte Wärmedämmschicht besteht aus 10 Masse-% bis 90 Masse-% aus Glas und darüber hinaus aus einer Keramik und/oder einem Metall und/oder einer Metalllegierung.A generic thermal barrier coating, inter alia for gas turbines, is from the German patent DE 198 52 285 C1 known. This known thermal barrier coating consists of 10% by mass to 90% by mass of glass and moreover of a ceramic and / or a metal and / or a metal alloy.

Die EP 1 580 296 A2 beschreibt eine poröse Wärmedämmschicht aus einem keramischen Werkstoff.The EP 1 580 296 A2 describes a porous thermal barrier coating made of a ceramic material.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Herstellen einer Wärmedämmschicht sowie eine derartige Wärmedämmschicht bereitzustellen, die für Bauteile für Verbrennungsmotoren, insbesondere Kolben für Verbrennungsmotoren geeignet ist.The object of the present invention is to provide a method for producing a thermal barrier coating and such a thermal barrier coating, which is suitable for components for internal combustion engines, in particular pistons for internal combustion engines.

Die Lösung besteht in einem Verfahren mit den folgenden Merkmalen: a) Zermahlen eines Glaswerkstoffs zu einem ersten Feststoff in Form eines Pulvers; b) Mischen des Pulvers mit mindestens einer Flüssigkeit zu einer Suspension; c) Verarbeiten der Suspension mittels eines Hochgeschwindigkeits-Flammspritzverfahrens, wobei c1) die flüssige Phase der Suspension in der Flamme verdampft wird; c2) der Glaswerkstoff angeschmolzen oder aufgeschmolzen wird und anschließend auf dem Bauteil abgeschieden wird.The solution consists of a process having the following features: a) grinding a glass material into a first solid in the form of a powder; b) mixing the powder with at least one liquid to form a suspension; c) processing the suspension by means of a high-speed flame spraying process, wherein c1) the liquid phase of the suspension is evaporated in the flame; c2) the glass material is melted or melted and then deposited on the component.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind ferner eine mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte Wärmedämmschicht sowie ein Kolben mit einem Kolbenboden, der ganz oder teilweise mit einer derartigen Wärmedämmschicht versehen ist.The present invention furthermore relates to a heat-insulating layer produced by means of the method according to the invention and to a piston having a piston bottom which is provided wholly or partly with such a thermal barrier coating.

Unter Hochgeschwindigkeits-Pulver-Flammspritzen (HVOF; High Velocity Oxy Flame Spraying) bzw. Hochgeschwindigkeits-Suspensions-Flammspritzen (HVSFS; High Velocity Suspension Flame Spraying) wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein thermisches Spritzverfahren verstanden, bei dem eine kontinuierliche Verbrennung gasförmiger oder flüssiger Kraftstoffe unter Sauerstoffzufuhr bei hohem Druck innerhalb einer Brennkammer erfolgt. In der Regel wird ein Brenngas-Sauerstoff-Gemisch oder ein Brennflüssigkeit-Sauerstoff-Gemisch verwendet, wobei als Brenngas bzw. Brennflüssigkeit bspw. Propan, Ethen, Propen, Butan, Acetylen, Methylacetylenpropadien, Wasserstoff, Erdgas bzw. Diesel, N-Paraffine, gereinigtes Petroleum und Kerosin eingesetzt werden kann. Der in der Brennkammer erzeugte Druck des brennenden Kraftstoff-Sauerstoff-Gemischs und die (in der Regel nachgeordnete) Expansionsdüse erzeugen die notwendige hohe Geschwindigkeit des aus dem Verbrennungsvorgang resultierenden Gasstrahls. Der in Pulverform oder als Suspension vorliegende Spritzwerkstoff wird in der Regel axial in der Brennkammer oder radial im Bereich der Expansionsdüse zugeführt, so dass er auf die notwendige Geschwindigkeit beschleunigt wird, um die gewünschte Beschichtung zu erzielen.High Velocity Oxy Flame Spraying (HVOF) or High Velocity Suspension Flame Spraying (HVSFS) in the context of the present invention is understood to mean a thermal spraying process in which continuous combustion is gaseous or liquid Fuels under oxygen supply at high pressure within a combustion chamber takes place. In general, a fuel gas-oxygen mixture or a fuel-oxygen mixture is used, wherein as the fuel gas or fuel, for example. Propane, ethene, propene, butane, acetylene, Methylacetylenpropadien, hydrogen, natural gas or diesel, N-paraffins, Purified petroleum and kerosene can be used. The pressure of the burning fuel-oxygen mixture produced in the combustion chamber and the (usually downstream) expansion nozzle produce the necessary high speed of the gas jet resulting from the combustion process. The spray material present in powder form or as a suspension is generally supplied axially in the combustion chamber or radially in the region of the expansion nozzle, so that it is accelerated to the speed required in order to achieve the desired coating.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein Feststoff in Form eines Pulvers aus einem gemahlenen Glaswerkstoff mit Hilfe mindestens einer Flüssigkeit zu einer Suspension vermischt wird. Diese wird mittels eines Hochgeschwindigkeits-Suspensions-Flammspritzverfahrens (HVSFS) verarbeitet. Hierbei wird die Flüssigkeit verdampft, und in der resultierenden Wärmedämmschicht werden geschlossene Poren gebildet. Da der Glaswerkstoff selbst einen geringen Wärmeleitkoeffizienten besitzt und die Poren zusätzlich wärmedämmend wirken, wird erfindungsgemäß eine gegenüber dem Stand der Technik hochwirksame Wärmedämmschicht erhalten.The method according to the invention is characterized in that a solid in the form of a powder of a ground glass material is mixed with the aid of at least one liquid to form a suspension. This is processed by means of a high speed suspension flame spraying (HVSFS) process. In this case, the liquid is evaporated, and in the resulting thermal barrier coating closed pores are formed. Since the glass material itself has a low coefficient of thermal conductivity and the pores additionally have a heat-insulating effect, according to the invention a highly effective thermal barrier coating is obtained compared with the prior art.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.Advantageous developments emerge from the subclaims.

Der Feststoff in Form des zermahlenen pulverförmigen Glaswerkstoffs weist bevorzugt eine mittlere Partikelgröße von 1 μm bis 10 μm auf. Der D10-Wert liegt hierbei im Bereich von 0,2 μm bis 3,0 μm. Der D90-Wert liegt vorzugsweise im Bereich von 3 μm bis 20 μm. Bevorzugt sind ein D50-Wert von 1 μm (Variante A) sowie ein D50-Wert von 5 μm (Variante B), um eine besonders gleichmäßige Größenverteilung innerhalb der erfindungsgemäß erzeugten Wärmedämmschicht zu erzielen.The solid in the form of the pulverized powdery glass material preferably has an average particle size of 1 .mu.m to 10 .mu.m. The D10 value is in the range of 0.2 μm to 3.0 μm. The D90 value is preferably in the range of 3 μm to 20 μm. Preference is given to a D50 value of 1 μm (variant A) and a D50 value of 5 μm (variant B) in order to achieve a particularly uniform size distribution within the thermal barrier coating produced according to the invention.

Vorzugsweise wird ein Glaswerkstoff mit folgender Zusammensetzung verwendet (alle Angaben in Gew.-%): 10–50 B2O3, 1–10 SiO2, 1–10 TiO2, 10–50 ZnO, 1–10 ZrC2, 1–10 Nb2O5, 10–50 La2O3 sowie 1–10 WO3. Dieser Glaswerkstoff zeichnet sich durch einen besonders niedrigen Wärmeleitkoeffizienten aus. Ferner sind weitere Borosilikatgläser sowie Aluminosilikatgläser geeignet. Beispielweise kann ein Glaswerkstoff der folgenden Zusammensetzung verwendet werden: (alle Angabe in Gew.-%): 1–10 B2O3, 1–10 MgO, 10–50 Al2O3, mind. 50 SiO2, 10–50 CaO, 0,1–1 Sb2O3, 1–10 BaO.Preferably, a glass material having the following composition is used (all data in% by weight): 10-50 B 2 O 3 , 1-10 SiO 2 , 1-10 TiO 2 , 10-50 ZnO, 1-10 ZrC 2 , 1 -10 Nb 2 O 5 , 10-50 La 2 O 3 and 1-10 WO 3 . This glass material is characterized by a particularly low coefficient of thermal conductivity. Furthermore, other borosilicate glasses and aluminosilicate glasses are suitable. For example, a glass material of the following composition may be used: (all in wt .-%): 1-10 B 2 O 3 , 1-10 MgO, 10-50 Al 2 O 3 , at least 50 SiO 2 , 10-50 CaO, 0.1-1 Sb 2 O 3 , 1-10 BaO.

Als Flüssigkeit zur Herstellung der Suspension eignen sich insbesondere Wasser oder mindestens ein organisches Lösemittel oder eine Mischung daraus. Besonders geeignete organische Lösemittel sind Alkohole wie bspw. Ethanol und Isopropanol, wobei vorzugsweise eine Mischung aus 60 Gew.-% Wasser und 40 Gew.-% Isopropanol verwendet werden kann.In particular, water or at least one organic solvent or a mixture thereof is suitable as liquid for the preparation of the suspension. Particularly suitable organic solvents are alcohols, such as, for example, ethanol and isopropanol, preferably a mixture of 60% by weight. Water and 40 wt .-% isopropanol can be used.

Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass in Schritt b) der Suspension mindestens einen zweiten Feststoff in Form mindestens eines Porenbildners zugesetzt wird, der in Schritt c) thermisch zu mindestens einem gasförmigen Produkt zersetzt wird, welches die Porenbildung bewirkt. Der mindestens eine Porenbildner wird vorzugsweise aus der folgenden Stoffgruppe ausgewählt: Natriumoxalat, Natriumhydrogencarbonat, Natriumcarbonat, Azodicarboxamid. Gegebenenfalls kann ein zweiter Porenbildner in Form von Aktivkohle oder Ruß zugesetzt werden.A further development of the method according to the invention consists in adding at least one second solid in the form of at least one pore former in step b), which in step c) is thermally decomposed to at least one gaseous product which causes pore formation. The at least one pore-forming agent is preferably selected from the following group of substances: sodium oxalate, sodium bicarbonate, sodium carbonate, azodicarboxamide. Optionally, a second pore-forming agent in the form of activated carbon or carbon black may be added.

Die erfindungsgemäße Wärmedämmschicht weist bevorzugt einen Porenanteil von 30 Vol.-% bis 35 Vol.-% auf. Dies stellt einen besonders bevorzugten Kompromiss zwischen einer wirksamen Wärmedämmung und der im Motorbetrieb erforderlichen mechanischen Stabilität der erfindungsgemäßen Wärmedämmschicht dar.The thermal barrier coating according to the invention preferably has a pore content of from 30% by volume to 35% by volume. This represents a particularly preferred compromise between effective thermal insulation and the mechanical stability of the thermal barrier coating according to the invention required in engine operation.

Als dritter Feststoff kann der Suspension mindestens ein Katalysator beigemischt werden, der insbesondere aus der Stoffgruppe umfassend Eisen(III)hydroxid und Siliziumcarbid ausgewählt werden kann.As the third solid, at least one catalyst can be admixed to the suspension, which can in particular be selected from the substance group comprising iron (III) hydroxide and silicon carbide.

Besonders bevorzugt weist die Suspension 85 Gew.-% Verflüssiger und 15 Gew.-% Feststoff auf, wobei insbesondere der Feststoffanteil zu mindestens 5 Gew.-% (bezogen auf den gesamten Feststoff) aus mindestens einem Porenbildner sowie zu mindestens 5 Gew.-% aus mindestens einem Katalysator bestehen kann.The suspension particularly preferably comprises 85% by weight of plasticizer and 15% by weight of solid, in particular the solids content of at least 5% by weight (based on the total solids) of at least one pore-forming agent and at least 5% by weight. may consist of at least one catalyst.

Vorzugsweise wird ein Beschichtungswerkzeug verwendet, welches gegenüber einem ruhenden Bauteil unter Vorschub eine mäanderförmige Bewegung ausführt. Die daraus resultierende erfindungsgemäße Wärmedämmschicht weist in besonders vorteilhafter Weise eine besonders gleichmäßige Schichtdicke auf. Selbstverständlich ist es auch möglich, bspw. ein ruhendes oder eine Linearbewegung ausführendes Beschichtungswerkzeug über einem rotierenden Bauteil anzuordnen.Preferably, a coating tool is used, which performs a meandering movement with respect to a stationary component under feed. The resulting thermal barrier coating according to the invention has, in a particularly advantageous manner, a particularly uniform layer thickness. Of course, it is also possible, for example, to arrange a stationary or a linear movement-executing coating tool over a rotating component.

Vorzugsweise wird auf die erfindungsgemäße Wärmedämmschicht eine Deckschicht aufgetragen, um ggf. in der Wärmedämmschicht auftretende nach außen offenen Poren zu verschließen und eine glatte Oberfläche herzustellen. Eine derartige Deckschicht kann bspw. aus einem stabilisierten oder teilstabilisierten Zirkoniumoxid, insbesondere aus einem Yttriumstabilisierten Zirkoniumoxid (YSZ) bestehen.Preferably, a cover layer is applied to the thermal barrier coating according to the invention in order to close off any pores that may open in the thermal barrier coating and to produce a smooth surface. Such a cover layer can, for example, consist of a stabilized or partially stabilized zirconium oxide, in particular of an yttrium-stabilized zirconium oxide (YSZ).

Das zu beschichtende Bauteil kann ganz oder teilweise mit der erfindungsgemäß aufgebrachten Wärmedämmschicht versehen sein, wobei vorzugsweise eine Maske zum Abdecken der nicht zu beschichtenden Bereiche des Bauteils verwendet wird. Das zu beschichtende Bauteil ist insbesondere ein Kolben, in dessen Kolbenboden eine Verbrennungsmulde eingebracht ist, welche einen Muldenboden und eine umlaufende Muldenwand aufweist. Vorzugsweise wird der Muldenboden mit der erfindungsgemäßen Wärmedämmschicht versehen, wobei eine Maske verwendet wird, die die umlaufende Muldenwand ganz oder teilweise abdeckt.The component to be coated may be wholly or partly provided with the thermal barrier coating applied according to the invention, wherein preferably a mask is used to cover the areas of the component that are not to be coated. The component to be coated is in particular a piston, in the piston head a combustion bowl is introduced, which has a trough bottom and a circumferential trough wall. Preferably, the trough bottom is provided with the thermal barrier coating according to the invention, wherein a mask is used, which covers the circumferential trough wall in whole or in part.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung:Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. In a schematic, not to scale representation:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines mit einer erfindungsgemäßen Wärmedämmschicht versehenen Kolbens; 1 a first embodiment of a provided with a thermal barrier coating according to the invention piston;

2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines mit einer erfindungsgemäßen Wärmedämmschicht versehenen Kolbens; 2 a further embodiment of a piston provided with a thermal barrier coating according to the invention;

3 eine vergrößerte Teildarstellung einer Wärmedämmschicht gemäß 2; 3 an enlarged partial view of a thermal barrier coating according to 2 ;

4 eine vergrößerte Teildarstellung eines Kolbens gemäß 2 mit einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß zur Herstellung der Wärmedämmschicht verwendeten Maske; 4 an enlarged partial view of a piston according to 2 with an embodiment of a mask according to the invention used for the preparation of the thermal barrier coating;

5 eine schematische Darstellung des Herstellungsverfahrens für eine erfindungsgemäße Wärmedämmschicht unter Verwendung der Maske gemäß 4. 5 a schematic representation of the manufacturing process for a thermal barrier coating according to the invention using the mask according to 4 ,

1 zeigt beispielhaft ein erfindungsgemäß beschichtetes Bauteil 10 in Form eines einteiligen Kühlkanalkolbens. Das zu beschichtende Bauteil kann beliebig gewählt werden, sofern es eine für ein Hochgeschwindigkeits-Flammspritzverfahren (HVSFS) geeignete Oberfläche aufweist. 1 shows an example of a coated component according to the invention 10 in the form of a one-piece cooling channel piston. The component to be coated can be chosen arbitrarily, provided that it has a surface suitable for a high-speed flame spraying process (HVSFS).

Der Kolben gemäß 1 weist einen Kolbenkopf 11 mit einem Kolbenboden 12 auf, in den eine Verbrennungsmulde 13 eingebracht ist. Die Verbrennungsmulde 13 weist in an sich bekannter Weise einen Muldenboden 14 und eine umlaufende Muldenwand 15 auf, welche in den Kolbenboden 12 übergeht. Der Kolbenkopf 11 weist ferner einen Feuersteg 16 sowie eine Ringpartie 17 mit Ringnuten zur Aufnahme von Kolbenringen (nicht dargestellt) auf. Der Kolben ist in Höhe der Ringpartie 17 mit einem umlaufenden Kühlkanal 18 versehen. Der Kolben weist ferner in an sich bekannter Weise einen Kolbenschaft 21 mit Kolbennaben 22 auf, welche mit Nabenbohrungen 23 zur Aufnahme eines Kolbenbolzens (nicht dargestellt) versehen sind. Die Kolbennaben 22 sind in an sich bekannter Weise über Laufflächen 24 miteinander verbunden.The piston according to 1 has a piston head 11 with a piston bottom 12 into, into a combustion chamber 13 is introduced. The combustion bowl 13 has a well bottom in a conventional manner 14 and a circumferential trough wall 15 on which into the piston bottom 12 passes. The piston head 11 also has a lancet 16 as well as a ring lot 17 with annular grooves for receiving piston rings (not shown). The piston is at the level of the ring section 17 with a circulating cooling channel 18 Mistake. The piston also has a piston shaft in a manner known per se 21 with piston hubs 22 on, which with hub bores 23 for receiving a piston pin (not shown) are provided. The piston hubs 22 are in known manner on treads 24 connected with each other.

Im Ausführungsbeispiel sind der Kolbenboden 12 sowie der Muldenboden 14 und die Muldenwand 15 der Verbrennungsmulde 13 mit einer erfindungsgemäßen Wärmedämmschicht 30 versehen. Die Wärmedämmschicht 30 weist im Ausführungsbeispiel eine gleichmäßige Dicke im Bereich von 150 μm bis 200 μm auf. Die Wärmedämmschicht 30 kann optional mit einer Deckschicht 31 versehen sein, die bevorzugt eine Schichtdicke von 10 μm bis 50 μm aufweist. Die Wärmedämmschicht 30 bzw. die Deckschicht 31 werden mittels eines Hochgeschwindigkeits-Flammspritzverfahrens (im Folgenden: HVSFS) aufgetragen.In the embodiment, the piston crown 12 as well as the trough bottom 14 and the hollow wall 15 the combustion bowl 13 with a thermal barrier coating according to the invention 30 Mistake. The thermal barrier coating 30 In the exemplary embodiment has a uniform thickness in the range of 150 .mu.m to 200 .mu.m. The thermal barrier coating 30 can be optional with a topcoat 31 be provided, which preferably has a layer thickness of 10 microns to 50 microns. The thermal barrier coating 30 or the cover layer 31 are applied by means of a high speed flame spraying method ('HVSFS').

Die 2 bis 4 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines mit einer erfindungsgemäßen Wärmedämmschicht beschichteten Bauteils 110, hier eines Kolbens. Der Kolben gemäß den 2 bis 4 entspricht dem in 1 dargestellten Kolben, so dass identische Strukturmerkmale mit denselben Bezugszeichen versehen sind und auf die Beschreibung zu 1 verwiesen wird. Im Unterschied zu dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist nur der Muldenboden 14 der Verbrennungsmulde 13 mit einer Wärmedämmschicht 130 versehen. Die Wärmedämmschicht 130 weist im Ausführungsbeispiel eine gleichmäßige Dicke im Bereich von 150 μm bis 200 μm auf. Wie aus den 3 und 4 hervorgeht, weist die Wärmedämmschicht 130 im Übergangsbereich zwischen Muldenboden 14 und Muldenwand 15 eine Auslaufzone 132 auf, die sich im Ausführungsbeispiel über etwa 1 mm erstreckt. Im Bereich der Auslaufzone 132 reduziert sich die Dicke der Wärmedämmschicht 130 gleichmäßig, ausgehend von einem Startpunkt S in Richtung der Muldenwand 15 zu einem Endpunkt E mit der Schichtdicke Null.The 2 to 4 show a further embodiment of a coated with a thermal barrier coating component according to the invention 110 , here a piston. The piston according to the 2 to 4 corresponds to the in 1 represented piston, so that identical structural features are provided with the same reference numerals and to the description 1 is referenced. Unlike the in 1 illustrated embodiment, only the trough bottom 14 the combustion bowl 13 with a thermal barrier coating 130 Mistake. The thermal barrier coating 130 In the exemplary embodiment has a uniform thickness in the range of 150 .mu.m to 200 .mu.m. Like from the 3 and 4 shows, the thermal barrier coating 130 in the transition area between trough bottom 14 and hollow wall 15 an outlet zone 132 on, which extends in the embodiment about 1 mm. In the area of the outlet zone 132 reduces the thickness of the thermal barrier coating 130 evenly, starting from a starting point S in the direction of the trough wall 15 to an end point E with the layer thickness zero.

Aus den 4 und 5 geht ferner hervor, dass zum Aufbringen der Wärmedämmschicht 130 eine Maske 140 verwendet wird. Die Maske 140 bedeckt den Kolbenboden 12 vollständig mit Ausnahme des Muldenbodens 14 der Verbrennungsmulde. Die Maske 140 ist im Ausführungsbeispiel mit einer umlaufenden Blende 141 versehen, welche die Muldenwand 15 ganz oder teilweise abdeckt. Es hat sich herausgestellt, dass bei vollständiger Abdeckung der Muldenwand 15, im Ausführungsbeispiel mit einer etwa 10 mm langen Blende 141, die Wärmedämmschicht 130 eine besonders gleichmäßige Dicke aufweist.From the 4 and 5 also shows that for applying the thermal barrier coating 130 a mask 140 is used. The mask 140 covers the piston crown 12 completely except for the trough bottom 14 the combustion bowl. The mask 140 is in the embodiment with a circumferential aperture 141 provided, which the trough wall 15 completely or partially covers. It has been found that with complete coverage of the trough wall 15 , In the exemplary embodiment with an aperture about 10 mm long 141 , the thermal barrier coating 130 has a particularly uniform thickness.

In 5 ist schematisch dargestellt, dass zur Durchführung des Hochgeschwindigkeits-Flammspritzverfahrens ein Brenner 60 verwendet wird. Der Brenner 60 ist bewegbar angeordnet, während das Bauteil 10, 110 gegenüber dem Brenner 60 feststehend angeordnet ist. Der Brenner 60 wird mäanderförmig über das Bauteil 10, 110 bzw. die Maske 140 bewegt, wobei eine Wärmedämmschicht 30, 130 mit besonders gleichmäßiger Dicke entsteht. Dieses Verfahren hat den weiteren Vorteil, dass die Maske 140 eine beliebige Form haben kann, so dass der nicht zu beschichtende Bereich des Bauteils 110 auf besonders einfache Weise abgedeckt werden kann.In 5 schematically shows that to carry out the high-speed flame spraying method, a burner 60 is used. The burner 60 is movably arranged while the component 10 . 110 opposite the burner 60 is arranged fixed. The burner 60 becomes meandering over the component 10 . 110 or the mask 140 moved, with a thermal barrier coating 30 . 130 produced with a particularly uniform thickness. This method has the further advantage that the mask 140 can have any shape, so that the non-coated area of the component 110 can be covered in a particularly simple manner.

Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel eines Herstellungsverfahrens für eine erfindungsgemäße Wärmedämmschicht beschrieben. Zunächst wird eine Emulsion aus 85 Gew.-% einer Mischung aus 60 Gewichtsteilen Wasser und 40 Gewichtsteilen Isopropanol und 15 Gew.-% Feststoff hergestellt. Alternativ kann auch reines Wasser oder reines Isopropanol zur Herstellung der Emulsion verwendet werden.An exemplary embodiment of a production method for a thermal barrier coating according to the invention is described below. First, an emulsion of 85% by weight of a mixture of 60 parts by weight of water and 40 parts by weight of isopropanol and 15% by weight of solid is prepared. Alternatively, pure water or pure isopropanol can be used to prepare the emulsion.

Der Feststoff kann ausschließlich aus einem Glaswerkstoff mit niedrigem Wärmeleitkoeffizient in Form eines fein zermahlenen Pulvers bestehen. Ein besonders gut geeigneter Glaswerkstoff hat bspw. die folgende Zusammensetzung (alle Angaben in Gew.-%):
10–50 B2O3
1–10 SiO2
1–10 TiO2
10–50 ZnO
1–10 ZrC2
1–10 Nb2O5
10–50 La2O3
1–10 WO3
The solid may consist exclusively of a glass material with a low coefficient of thermal conductivity in the form of a finely ground powder. A particularly suitable glass material has, for example, the following composition (all data in% by weight):
10-50 B 2 O 3
1-10 SiO 2
1-10 TiO 2
10-50 ZnO
1-10 ZrC 2
1-10 Nb 2 O 5
10-50 La 2 O 3
1-10 WO 3

Der Mittelwert der Partikelgröße des Pulvers nach der Gauß-Verteilung beträgt vorzugsweise 1 μm bis 10 μm.The average particle size of the powder after the Gaussian distribution is preferably 1 μm to 10 μm.

Vorzugsweise wird für die Herstellung der Suspension mindestens ein zusätzlicher Feststoff verwendet. Besonders bevorzugt wird mindestens ein Porenbildner, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe umfassend Natriumoxalat, Natriumhydrogencarbonat, Natriumcarbonat und Azodicarboximid zugesetzt. Gegebenenfalls kann ein zusätzlicher Porenbildner in Form von Aktivkohle oder Ruß zugesetzt werden. Ferner kann ggf. ein Katalysator, bspw. Eisen(III)hydroxid oder Siliziumcarbid zugesetzt werden.Preferably, at least one additional solid is used for the preparation of the suspension. Particular preference is given to adding at least one pore former, in particular selected from the group comprising sodium oxalate, sodium bicarbonate, sodium carbonate and azodicarboximide. Optionally, an additional pore-forming agent in the form of activated carbon or carbon black may be added. Further, if necessary, a catalyst, for example. Iron (III) hydroxide or silicon carbide may be added.

Die Anteile der Zusätze betragen bevorzugt (sämtliche Angaben in Gew.-% bezogen auf den gesamten in der fertigen Suspension enthaltenen Feststoff):
5 Gew.-% bis 10 Gew.-% Natriumoxalat;
10 Gew.-% bis 50 Gew.-% Natriumcarbonat;
5 Gew.-% Azodicarboxamid;
5 Gew.-% bis 10 Gew.-% Aktivkohle;
10 Gew.-% Eisen(III)hydroxid;
10 Gew.-% bis 15 Gew.-% Siliziumcarbid.
The proportions of the additives are preferably (all data in% by weight based on the total solids present in the finished suspension):
From 5% to 10% by weight of sodium oxalate;
From 10% to 50% by weight of sodium carbonate;
5% by weight azodicarboxamide;
From 5% to 10% by weight of activated carbon;
10% by weight of iron (III) hydroxide;
10 wt .-% to 15 wt .-% silicon carbide.

Die zu beschichtende Oberfläche des Bauteils 10, 110 wird zunächst aufgeraut, vorzugsweise mit Korundpartikeln bestrahlt und anschließend gereinigt. Die zu beschichtende Oberfläche sollte eine Rauigkeit Ra von 0,6 μm bis 5,0 μm aufweisen. The surface of the component to be coated 10 . 110 is first roughened, preferably irradiated with corundum particles and then cleaned. The surface to be coated should have a roughness Ra of 0.6 μm to 5.0 μm.

Die Suspension wird anschließend mittels eines Hochgeschwindigkeits-Suspensions-Flammspritzverfahrens (HVSFS) auf das Bauteil 10, 110 aufgetragen. Hierbei wird als Brenngas vorzugsweise Propan oder Ethen eingesetzt. Die Brenngasmenge liegt vorzugsweise im Bereich von 35 Liter bis 130 Liter pro Minute. Die Sauerstoffmenge wird im Bereich von 180 bis 400 Liter pro Minute gewählt. Als Beschichtungsaggregat wird ein TopGun-Brenner eingesetzt. Die Suspension wird in die Flamme eingedüst. Dies kann sowohl innerhalb des Brenners als auch extern erfolgen. Der Abstand zwischen Brenner und zu beschichtendem Bauteil liegt dabei im Bereich von 40 bis 250 mmThe suspension is then applied to the component by means of a high-speed suspension flame spraying (HVSFS) process 10 . 110 plotted. In this case, propane or ethene is preferably used as fuel gas. The fuel gas amount is preferably in the range of 35 liters to 130 liters per minute. The amount of oxygen is chosen in the range of 180 to 400 liters per minute. The coating unit used is a TopGun burner. The suspension is injected into the flame. This can be done both inside the burner and externally. The distance between the burner and the component to be coated is in the range of 40 to 250 mm

Die Wärmeleitfähigkeit der erfindungsgemäßen Wärmedämmschicht 30, 130 wurde mit 0,30 und 0,70 W/mK gemessen, während Wärmedämmschichten gemäß dem Stand der Technik Werte von mindestens 1,0 bis 1,6 W/mK aufweisen.The thermal conductivity of the thermal barrier coating according to the invention 30 . 130 was measured at 0.30 and 0.70 W / mK whereas prior art thermal barrier coatings have values of at least 1.0 to 1.6 W / mK.

Die Gesamtporosität der erfindungsgemäßen Wärmedämmschicht 30, 130 beträgt 30 Vol.-% bis 35 Vol.-% bezogen auf Gesamtvolumen der Wärmedämmschicht 30, 130. Die maximale offene Porosität der erfindungsgemäßen Wärmedämmschicht sollte 10% bis 15%, bezogen auf den Gesamtporengehalt, nicht überschreiten. Der Mittelwert der Porengröße nach der Gauß-Verteilung sollte 2 μm bis 10 μm betragen. Diese Werte wurden im Ausführungsbeispiel in an sich bekannter Weise mittels einer Grauwertanalyse an lichtmikroskopischen polierten Querschliffen ermittelt.The total porosity of the thermal barrier coating according to the invention 30 . 130 is 30 vol .-% to 35 vol .-% based on the total volume of the thermal barrier coating 30 . 130 , The maximum open porosity of the thermal barrier coating according to the invention should not exceed 10% to 15%, based on the total pore content. The mean pore size after the Gaussian distribution should be 2 μm to 10 μm. In the exemplary embodiment, these values were determined in a manner known per se by means of a gray scale analysis on light microscopic polished transverse sections.

Die erfindungsgemäße Wärmedämmschicht 30 kann mit einer Deckschicht 31, insbesondere aus yttriumstabilisierten Zirkonoxid versehen werden, um eine glatte Oberfläche zu erhalten.The thermal barrier coating according to the invention 30 can with a topcoat 31 , in particular from yttrium-stabilized zirconia are provided in order to obtain a smooth surface.

Typische Verfahrensparameter bei Verwendung eines TopGun SS HVSFS Brenners (Firma GTV Verschleißschutz GmbH, Luckenbach, Deutschland) sind bspw.:
Brenngas: Ethen Nl/min: 100–130)
Sauerstoff Nl/min: 250–350
Spritzabstand [mm]: 120.
Typical process parameters when using a TopGun SS HVSFS burner (GTV Verschleißschutz GmbH, Luckenbach, Germany) are, for example:
Fuel gas: ethene Nl / min: 100-130)
Oxygen Nl / min: 250-350
Spray distance [mm]: 120.

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  • EP 1580296 A2 [0003] EP 1580296 A2 [0003]

Claims (23)

Verfahren zum Herstellen einer Wärmedämmschicht (30, 130) auf einem Bauteil (10, 110), gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: a) Zermahlen eines Glaswerkstoffs zu einem ersten Feststoff in Form eines Pulvers; b) Mischen des Pulvers mit mindestens einer Flüssigkeit zu einer Suspension; c) Verarbeiten der Suspension (10, 110) mittels eines Hochgeschwindigkeits-Flammspritzverfahrens, wobei c1) die flüssige Phase der Suspension (10, 110) in der Flamme verdampft wird; c2) der Glaswerkstoff angeschmolzen oder aufgeschmolzen wird und anschließend auf dem Bauteil abgeschieden wird.Method for producing a thermal barrier coating ( 30 . 130 ) on a component ( 10 . 110 ), characterized by the following features: a) grinding a glass material into a first solid in the form of a powder; b) mixing the powder with at least one liquid to form a suspension; c) processing the suspension ( 10 . 110 ) by means of a high-speed flame spraying process, wherein c1) the liquid phase of the suspension ( 10 . 110 ) is evaporated in the flame; c2) the glass material is melted or melted and then deposited on the component. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) eine mittlere Partikelgröße des Pulvers von 1 μm bis 10 μm erhalten wird.A method according to claim 1, characterized in that in step a) an average particle size of the powder of 1 .mu.m to 10 .mu.m is obtained. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) ein Glaswerkstoff in Form eines Aluminosilikatglases und/oder eines Borosilikatglases verwendet wirdA method according to claim 1, characterized in that in step a) a glass material in the form of an aluminosilicate glass and / or a borosilicate glass is used Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) ein Glaswerkstoff mit folgender Zusammensetzung verwendet wird (alle Angaben in Gew.-%): 10–50 B2O3 1–10 SiO2 1–10 TiO2 10–50 ZnO 1–10 ZrC2 1–10 Nb2O5 10–50 La2O3 1–10 WO3 A method according to claim 1, characterized in that in step a) a glass material having the following composition is used (all data in wt .-%): 10-50 B 2 O 3 1-10 SiO 2 1-10 TiO 2 10-50 ZnO 1-10 ZrC 2 1-10 Nb 2 O 5 10-50 La 2 O 3 1-10 WO 3 Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) ein Glaswerkstoff mit folgender Zusammensetzung verwendet wird (alle Angaben in Gew.-%): 1–10 B2O3 1–10 MgO 10–50 Al2O3 mind. 50 SiO2 10–50 CaO 0,1–1 Sb2O3 1–10 BaOA method according to claim 1, characterized in that in step a) a glass material having the following composition is used (all data in wt .-%): 1-10 B 2 O 3 1-10 MgO 10-50 Al 2 O 3 min. 50 SiO 2 10-50 CaO 0.1-1 Sb 2 O 3 1-10 BaO Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) als Verflüssiger Wasser oder mindestens ein organisches Lösemittel oder eine Mischung aus Wasser und/oder mindestens einem organischen Lösemittel verwendet wird.A method according to claim 1, characterized in that in step b) is used as the condenser water or at least one organic solvent or a mixture of water and / or at least one organic solvent. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als mindestens ein organisches Lösemittel ein Alkohol verwendet wird.A method according to claim 6, characterized in that as at least one organic solvent, an alcohol is used. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mischung aus 60 Gew.-% Wasser und 40 Gew.-% Isopropanol verwendet wird.A method according to claim 7, characterized in that a mixture of 60 wt .-% water and 40 wt .-% isopropanol is used. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) der Suspension mindestens ein zweiter Feststoff in Form mindestens eines Porenbildners zugesetzt wird, der in Schritt c) thermisch zu mindestens einem gasförmigen Produkt zersetzt wird.A method according to claim 1, characterized in that in step b) of the suspension at least a second solid in the form of at least one pore-forming agent is added, which is thermally decomposed in step c) to at least one gaseous product. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) der mindestens eine Porenbildner aus der folgenden Stoffgruppe ausgewählt wird: Natriumoxalat; Natriumhydrogencarbonat; Natriumcarbonat; Azodicarboxamid.A method according to claim 9, characterized in that in step b) the at least one pore-forming agent is selected from the following group of substances: sodium oxalate; sodium hydrogencarbonate; Sodium; Azodicarboxamide. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) ein zusätzlicher Porenbildner in Form von Aktivkohle oder Ruß zugemischt wird.A method according to claim 9, characterized in that in step b) an additional pore-forming agent in the form of activated carbon or carbon black is added. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) als dritter Feststoff mindestens ein Katalysator beigemischt wird.A method according to claim 1, characterized in that in step b) as a third solid at least one catalyst is added. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Katalysator aus der folgenden Stoffgruppe ausgewählt wird: Eisen(III)hydroxid, Siliziumcarbid.A method according to claim 12, characterized in that the at least one catalyst is selected from the following group of substances: iron (III) hydroxide, silicon carbide. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) eine Suspension aus 85 Gew.-% Verflüssiger und 15 Gew.-% Feststoff hergestellt wird.A method according to claim 1, characterized in that in step b) a suspension of 85 wt .-% liquefier and 15 wt .-% solid is prepared. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) ein Feststoffgemisch aus einem Pulver aus zermahlenem Glaswerkstoff mit einem Anteil von mindestens 5 Gew.-% mindestens eines Porenbildners und einem Anteil von mindestens 5 Gew.-% mindestens eines Katalysators verwendet wird.A method according to claim 9, characterized in that in step b) a solid mixture of a powder of crushed glass material with a proportion of at least 5 wt .-% of at least one pore former and a proportion of at least 5 wt .-% of at least one catalyst is used. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) das Bauteil (110) nur teilweise beschichtet und eine Maske (140) zur Abdeckung des nicht zu beschichtenden Bereichs des Bauteils (110) verwendet wird.A method according to claim 1, characterized in that in step c) the component ( 110 ) only partially coated and a mask ( 140 ) to cover the non-coating area of the component ( 110 ) is used. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass als Bauteil (10, 110) ein Kolben mit einer im Kolbenboden (112) eingebrachten Verbrennungsmulde (113) mit einem Muldenboden (114) und einer umlaufenden Muldenwand (115) verwendet wird und dass eine Maske (140) verwendet wird, die die Muldenwand (115) zumindest teilweise abdeckt.A method according to claim 16, characterized in that as a component ( 10 . 110 ) a piston with a in the piston head ( 112 ) introduced combustion body ( 113 ) with a trough bottom ( 114 ) and a circumferential trough wall ( 115 ) used and that a mask ( 140 ) is used, which the trough wall ( 115 ) at least partially covers. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Beschichtungswerkzeug (60) verwendet wird, welches gegenüber einem ruhenden Bauteil (10, 110) unter Vorschub eine mäanderförmige Bewegung ausführt.Method according to claim 1, characterized in that a coating tool ( 60 ), which is opposite a stationary component ( 10 . 110 ) performs a meandering movement under feed. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Wärmedämmschicht (30) eine Deckschicht (31) aufgetragen wird.A method according to claim 1, characterized in that on the thermal barrier coating ( 30 ) a cover layer ( 31 ) is applied. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass als Werkstoff für die Deckschicht (31) ein stabilisiertes oder teilstabilisiertes Zirkoniumoxid verwendet wird.A method according to claim 19, characterized in that as material for the cover layer ( 31 ) a stabilized or partially stabilized zirconium oxide is used. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass ein Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumoxid verwendet wird.A method according to claim 20, characterized in that an yttrium-stabilized zirconium oxide is used. Wärmedämmschicht (30, 130), herstellbar mittels eines Verfahrens nach einem der Patentansprüche 1 bis 21.Thermal barrier coating ( 30 . 130 ), producible by means of a method according to one of the claims 1 to 21. Kolben für einen Verbrennungsmotor mit einem Kolbenboden (12, 112), dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenboden (12, 112) ganz oder teilweise mit einer Wärmedämmschicht (30, 130) gemäß Anspruch 22 versehen ist.Piston for an internal combustion engine with a piston head ( 12 . 112 ), characterized in that the piston head ( 12 . 112 ) in whole or in part with a thermal barrier coating ( 30 . 130 ) is provided according to claim 22.
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