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Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Herstellen isolierender dreidimensionaler (3D-)Strukturen unter Verwendung von 3D-Druck.
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Brennkraftmaschinen umfassen eine Mehrzahl von Zylindern, eine Mehrzahl von Kolben, zumindest eine Einlassöffnung und zumindest eine Auslassöffnung. Die Zylinder umfassen jeweils Oberflächen, die eine Brennkammer definieren. Eine oder mehrere Oberflächen der Brennkraftmaschine sind mit Wärmebarrierenbeschichtungen beschichtet, um die Wärmeübertragungseigenschaften der Brennkraftmaschine zu verbessern.
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Die
US 2006 / 0 093 801 A1 betrifft die Wärmebehandlung mehrschichtiger, hohen Temperaturen ausgesetzter Strukturen, die eine Keramikschicht enthalten, in einem Ofen, um eine Materialdiffusion zu bewirken.
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Die
WO 2015 / 042 491 A1 offenbart eine Beschichtung aus hohlen gesinterten Mikrokugeln, die eine Nickelbeschichtung aufweisen.
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Die
US 2014 / 0 099 476 A1 offenbart ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, das aus der
US 2014 / 0 099 476 A1 bekannte Verfahren weiterzubilden, um eine 3D-Struktur zu erhalten, die eine Verbundstoff-Wärmebarrierenbeschichtung (TBC von thermal barrier coating) umfasst, die auf eine Oberfläche von Komponenten innerhalb einer Brennkraftmaschine und dergleichen aufgebracht und mit den Komponenten der Kraftmaschine verbunden werden kann, um eine geringe Wärmeleitfähigkeit und eine Isolierung mit geringer Wärmekapazität bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen beschrieben:
- 1 ist eine schematische Diagrammansicht eines Fahrzeugs, die eine Seitenansicht einer Einzylinder-Brennkraftmaschine veranschaulicht, auf der auf eine Mehrzahl von Komponenten eine Verbundstoff-Wärmebarrierenbeschichtung angeordnet ist.
- 2 ist eine schematische Querschnittsseitenansicht der auf der Komponente angeordneten Verbundstoff-Wärmebarrierenbeschichtung.
- 3 ist eine schematische Querschnittsseitenansicht einer anderen Ausführungsform der auf der Komponente angeordneten Verbundstoff-Wärmebarrierenbeschichtung.
- 4 ist eine schematische Querschnittsseitenansicht eines Teilbereichs aus hohlen Mikrokugeln, die jeweils eine erste und zweite Metallbeschichtungslage aufweisen.
- 5 ist eine schematische Querschnittsseitenansicht des Teilbereichs aus hohlen Mikrokugeln von 4, wobei die zweiten Metallbeschichtungslagen miteinander gesintert sind;
- 6 ist eine schematische Querschnittsseitenansicht des Teilbereichs von hohlen Mikrokugeln von 5, wobei die ersten und zweiten Metallbeschichtungslagen miteinander diffusionsverbunden sind, um eine Metalllegierung zu bilden.
- 7 ist eine schematische Diagrammansicht eines additiven Fertigungssystems, das eine additive Fertigungseinrichtung und einen Ofen zum Bilden einer dreidimensionalen (3D-)Struktur umfasst, die die Verbundstoff-Wärmebarrierenbeschichtung enthält.
- 8 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispielverfahren zum Bilden einer dreidimensionalen (3D-)Struktur beschreibt, die die Verbundstoff-Wärmebarrierenbeschichtung umfasst.
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen auf gleiche Komponenten überall in den Ansichten verweisen, zeigt 1 einen Teil eines Beispielfahrzeugs 10. Das Fahrzeug 10 kann eine Kraftmaschine 13 mit einer Komponente 12 umfassen. Die Komponente 12 weist eine Verbundstoff-(Mehrschicht-)Wärmebarrierenbeschichtung (TBC) 14 auf, die als eine darauf aufgebrachte, isolierende, dreidimensionale (3D-)Struktur 15 von dem hierin offenbarten Typ gebildet ist. Ein Verfahren zum Herstellen der 3D-Strukturen 15 unter Verwendung eines additiven Fertigungssystems 50 wird nachstehend ausführlicher beschrieben, und ist in 8 bei 100 gezeigt.
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Wieder unter Bezugnahme auf 1, obgleich das Fahrzeug 10 und die Kraftmaschine 13 von 1 eine typische Beispielanwendung sind, die für die hierin offenbarte Verbundstoff-TBC 14 geeignet ist, ist die vorliegende Konstruktion nicht auf Fahrzeug- und/oder Kraftmaschinenanwendungen begrenzt. Jegliche stationäre oder mobile Maschine oder jeglicher stationärer oder mobiler Fertigungsgegenstand, in welchem eine Komponente derselben Wärme ausgesetzt ist, kann Nutzen aus der Verwendung der vorliegenden Konstruktion ziehen. Der Konsistenz der Darstellung wegen werden das Fahrzeug 10 und die Kraftmaschine 13 nachstehend als ein Beispielsystem beschrieben, ohne die Verwendung der Verbundstoff-TBC 14 auf eine solche Ausführungsform zu beschränken.
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1 veranschaulicht eine Kraftmaschine 13, die einen einzigen Zylinder 26 definiert. Fachleute werden jedoch erkennen, dass die vorliegende Offenbarung auch auf Komponenten 12 von Kraftmaschinen 13 mit mehreren Zylindern 26 angewandt werden kann. Jeder Zylinder 26 definiert eine Brennkammer 30. Die Kraftmaschine 13 ist ausgestaltet, um Energie für den Vortrieb des Fahrzeugs 10 zur Verfügung zu stellen. Die Kraftmaschine 13 kann eine Dieselkraftmaschine oder eine Benzinkraftmaschine umfassen, ist aber nicht darauf beschränkt.
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Die Kraftmaschine 13 umfasst darüber hinaus eine Einlassbaugruppe 36 und einen Auslasskrümmer 38, die jeweils mit der Brennkammer 30 in Fluidverbindung stehen. Die Kraftmaschine 13 umfasst einen hin- und hergehenden Kolben 28, der innerhalb des Zylinders 26 verschieblich bewegbar ist.
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Die Brennkammer 30 ist zum Verbrennen eines Luft/Kraftstoff-Gemisches ausgestaltet, um Energie für den Vortrieb des Fahrzeugs 10 zur Verfügung zu stellen. Luft kann in die Brennkammer 30 der Kraftmaschine 13 eintreten, indem sie durch die Einlassbaugruppe 36 hindurchtritt, wobei die Luftströmung von dem Einlasskrümmer in die Brennkammer 30 durch zumindest ein Einlassventil 32 gesteuert wird. Kraftstoff wird in die Brennkammer 30 eingespritzt, um sich mit der Luft zu vermischen, oder wird durch das Einlassventil/die Einlassventile 32 eingeleitet, was ein Luft/Kraftstoff-Gemisch bereitstellt. Das Luft/Kraftstoff-Gemisch wird innerhalb der Brennkammer 30 gezündet. Die Verbrennung des Luft/KraftstoffGemisches erzeugt Abgas, welches die Brennkammer 30 verlässt und in den Auslasskrümmer 38 gesogen wird. Genauer wird die Luftströmung (Abgasströmung) aus der Brennkammer 30 heraus durch zumindest ein Auslassventil 34 gesteuert.
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Unter Bezugnahme auf die 1 und 2 kann die Verbundstoff-TBC 14 auf einer Fläche oder Oberfläche von einer oder mehreren der Komponenten 12 der Kraftmaschine 13, d.h. dem Kolben 28, dem Einlassventil 32, dem Auslassventil 34, Innenwänden des Auslasskrümmers 38, die Oberseite der Brennkammer 30 und dergleichen angeordnet sein. Die Verbundstoff-TBC 14 ist mit der Komponente 12 verbunden, um einen Isolator zu bilden, der ausgestaltet ist, um während des Betriebs der Kraftmaschine 13 Wärmeübertragungsverluste zu verringern, den Wirkungsgrad zu erhöhen und die Abgastemperatur zu erhöhen. Die Verbundstoff-TBC 14 ist ausgestaltet, um eine geringe Wärmeleitfähigkeit und geringe Wärmekapazität zur Verfügung zu stellen. Von daher verringert die geringe Wärmeleitfähigkeit Wärmeübergangsverluste, und die geringe Wärmekapazität bedeutet, dass die Oberfläche der Verbundstoff-TBC 14 der Temperatur des Gases während Temperaturschwingungen folgt, und ein Erwärmen von kühler Luft, die in den Zylinder eintritt, minimiert.
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Unter Bezugnahme auf 2 umfasst jede Komponente 12 ein Substrat 16, das eine Oberfläche 18 aufweist, und die Verbundstoff-TBC 14 ist mit der Oberfläche 18 des Substrats 16 verbunden. Die Verbundstoff-TBC 14 kann drei Lagen umfassen, d.h. eine erste Lage (Verbindungslage) 20, eine zweite Lage (Isolierlage) 22, und eine dritte Lage (Versiegelungslage) 24. Jedoch ist abhängig von dem vorgesehenen Material festzustellen, dass in manchen Ausführungsformen die TBC 14 die erste Verbindungslage 20 nicht zu umfassen braucht, weil ein äußerer Abschnitt der Isolierlage 22 derart ausgestaltet sein kann, dass er direkt mit dem Substrat 16 verbunden ist. Wenn zum Beispiel die erste Verbindungslage 20 Nickel (Ni) umfasst, und das Substrat 16 Eisen (Fe) umfasst, braucht die erste Schicht 20 nicht vorhanden zu sein. Jedoch, wie es nachstehend ausführlicher erläutert wird, kann die Verbundstoff-TBC 14 mehr als drei Lagen umfassen.
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Die Isolierlage 22 umfasst eine Mehrzahl von hohlen Mikrokugeln 40, die miteinander gesintert sind, um eine Lage zu erzeugen, die eine extrem hohe Porosität aufweist. Vorzugsweise beträgt die Porosität der Isolierlage 22 zumindest 80%. Stärker bevorzugt beträgt die Porosität der Isolierlage 22 zumindest 95%. Die hohe Porosität sorgt für ein entsprechendes Volumen an Luft und/oder Gasen, die darin enthalten sind, wodurch die gewünschten Isoliereigenschaften mit geringer effektiver Wärmeleitfähigkeit und geringer effektiver Wärmekapazität zur Verfügung gestellt werden. Die Dicke T2 der Isolierlage liegt zwischen 100 Mikrometer (µm) und 1 Millimeter (mm). Stärker bevorzugt liegt die Dicke T2 der Isolierlage 22 zwischen 100 und 500 µm. Noch stärker bevorzugt liegt die Dicke T2 der Isolierlage zwischen 100 und 300 µm. Die Isolierlage 22 ist ausgestaltet, um Drücken von zumindest 150 bar und Oberflächentemperaturen von zumindest 1100 Grad Celsius (°C) standzuhalten. Die Wärmekapazität der TBC 14 kann derart ausgestaltet sein, dass sichergestellt ist, dass die Oberfläche des Substrats 16 nicht über 500°C hinaus gelangt.
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Die hohlen Mikrokugeln 40 können aus hohlen Polymer-, Metall-, Glas- und/oder Keramikkugeln 45 bestehen. In einer nicht einschränkenden Ausführungsform bestehen die hohlen Mikrokugeln 40 aus Metall, wie etwa Nickel, Nickellegierungsverbindungen und dergleichen. Zumindest eine Metallbeschichtungslage 44 kann auf einer Außenoberfläche jeder Kugel 45 angeordnet sein. Die Metallbeschichtungslage 44 kann Nickel (Ni) umfassen. Die Metallbeschichtungslage 44 kann auf der Außenoberfläche der Mikrokugeln 40 über Elektroplattieren, Flammspritzen, Lackieren, stromloses Plattieren, Vakuumabscheidung und dergleichen angeordnet werden. Es ist festzustellen, dass während des Verbindens oder Sinterns der metallbeschichteten Mikrokugeln die hohlen Kugeln 45, die aus Polymer, Metall und Glas bestehen, eine Schmelztemperatur aufweisen, die niedriger als die der Metallbeschichtungslage 44 ist, wobei die hohlen Mikrokugeln 45 schmelzen oder sich auf andere Weise zersetzen können, um ein Teil der Metallbeschichtungslage 44 selbst zu werden, oder schmelzen und sich in einen Materialklumpen innerhalb der hohlen Mikrokugeln 40 verwandeln. Wenn jedoch die Schmelztemperatur der hohlen Kugeln 45 höher als die Schmelztemperatur des Materials der Metallbeschichtungslage 44 ist, wie etwa wenn die hohle Kugel 45 aus einem Keramikmaterial gebildet ist, bleibt die hohle Kugel 45 intakt und zersetzt sich nicht oder wird nicht absorbiert. Die Metallbeschichtungslage 44 kann Nickel, Eisen oder dergleichen umfassen. Die hohlen Mikrokugeln 40 können einen Durchmesser D1 von zwischen 5 und 100 µm aufweisen. Stärker bevorzugt können die Mikrokugeln 40 einen Durchmesser D1 von zwischen 20 und 100 µm aufweisen. Noch stärker bevorzugt können die Mikrokugeln 40 einen Durchmesser D1 von zwischen 20 - 40 µm aufweisen. Es ist festzustellen, dass die Mikrokugeln nicht notwendigerweise den gleichen Durchmesser aufweisen müssen, da eine Mischung von Durchmessern ausgestaltet sein kann, um die gewünschte offene Porosität, d.h. Packungsdichte, zur Verfügung zu stellen und somit einen gewünschten Betrag an Festigkeit für die Isolierlage bereitzustellen. Eine Mehrzahl von hohlen Mikrokugeln 40 kann bei einer Sintertemperatur, unter Druck, für eine Formgebungszeit geschmolzen oder gesintert werden, bis zwischen den Beschichtungslagen 44 von benachbarten hohlen Mikrokugeln 40 Verbindungen gebildet sind, um die Isolierlage 22 zu bilden. Die Sintertemperatur kann sich der Schmelztemperatur der Beschichtungslage 44 annähern. Jedoch in dem Fall, dass die hohlen Kugeln 45 aus keramischem Material bestehen, wird die Sintertemperatur nicht unter der Schmelztemperatur der metallbeschichteten Kugeln 45 liegen.
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In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform, die in den 4 - 6 gezeigt ist, ist die Isolierlage 22 aus hohlen Mikrokugeln 40 gebildet, die anfangs zwei Metallbeschichtungslagen 44A, 44B umfassen. Zunächst unter Bezugnahme auf 4 umfassen die hohlen Mikrokugeln 40 anfangs eine erste (innere) Metallbeschichtungslage 44A, die mit einer zweiten (äußeren) Metallbeschichtungslage 44B beschichtet ist. Die innere Metallbeschichtungslage 44A umfasst Nickel (Ni), Eisen (Fe) und Legierungen aus Nickel und Eisen, welche dann mit der äußeren Metallbeschichtungslage 44B beschichtet ist, die Kupfer (Cu oder Cu-Zn) umfasst. In einem nicht einschränkenden Beispiel ist eine geeignete Legierung im Handel unter dem Handelsnamen Hastalloy von Haynes International, Inc. von Kokomo, Indiana, erhältlich. Die äußere Metallbeschichtung 44B aus Cu oder Cu-Zn wird auf die innere Metallbeschichtungslage 44A über Elektroplattieren, Flammspritzen, Lackieren, stromloses Plattieren, Dampfabscheidung und dergleichen aufgebracht, um die äußere Metallbeschichtungslage 44B zu bilden. Die Dicke der äußeren Metallbeschichtungslage 44B sollte dünner sein als eine Dicke der inneren Metallbeschichtungslage 44A. Darüber hinaus braucht ein Gewicht des Metallmaterials (d.h. Cu- oder Cu-Zn-Materials) der äußeren Metallbeschichtungslage 44B nicht viel größer sein als ein Gewicht des Metalls (d.h. Ni) der inneren Metallbeschichtungslage 44A. Von daher sollte das Gewicht des Cu-Materials der äußeren Metallbeschichtungslage 44B 10 - 20% des Gewichts des Ni der äußeren Metallbeschichtungslage 44B betragen. Es ist wichtig, eine geringe Menge an Cu zu erhalten, weil zu viel Cu die Schmelztemperatur des resultierenden Legierungsmaterials absenken wird.
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Unter Bezugnahme auf die 2 und 3 werden die beschichteten Mikrokugeln 40 in einer gewünschten Lage mit einer gewünschten Dicke T2 angeordnet. Unter Bezugnahme auf 5 werden die Mikrokugeln 40 auf eine Temperatur annähernd gleich oder über der Schmelztemperatur der äußeren Metallbeschichtungslage 44B erwärmt. Von daher ist die Temperatur ausreichend, um ein Schmelzen der zweiten Beschichtungslage 44B zu bewirken. Als Nächstes unter Bezugnahme auf 6 wird die Temperatur auf unter den Solidus verringert. Die Temperatur wird für einen Zeitraum aber bei einer ausreichenden Temperatur unter dem Solidus gehalten, so dass eine Diffusion zwischen dem Kupfer (Cu oder Cu-Zn) der zweiten Beschichtungslage 44B und dem Nickel (Ni), Eisen (Fe) und Legierungen aus Nickel und Eisen der inneren Metallbeschichtungslage 44A auftritt. Von daher erfolgt eine Diffusion im festen Zustand zwischen der jeweiligen inneren und äußeren Metallbeschichtungslage 44A, 44B, um eine Metalllegierungsbeschichtungslage 44C zu bilden. Somit umfasst die resultierende Isolierlage 22 eine Nickel-Kupfer-(Ni-Cu-)Legierungslage 44C, die die hohlen Mikrokugeln 40 umgibt. Der Betrag an Diffusion, der zwischen der inneren und äußeren Metallbeschichtungslage 44A, 44B auftritt, ist eine Funktion der Temperatur und Zeit, die auf die Mikrokugeln 40 angewandt wird. Zusätzlich kann das Diffusionsverbinden bei erhöhtem Druck vorgenommen werden, um einen Druck innerhalb einer jeden der Mikrokugeln 40 und der Atmosphäre auszugleichen.
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Wenn die hohlen Mikrokugeln 40 aus Keramik gebildet sind und erwärmt werden, um ein Verbinden zwischen den benachbarten Mikrokugeln 40 zu fördern, können die Kugeln 45, auf denen die innere Metallbeschichtungslage 44A abgeschieden worden ist, zusätzlich schmelzen. In Fällen, in welchen die hohlen Kugeln 45 aus Polymer, Metall und Glas gebildet sind, können die hohlen Kugeln 45 als eine Funktion der Materialeigenschaften der hohlen Kugel 45 und der auf die Mikrokugeln 40 aufgebrachten Sintertemperatur schmelzen. Wenn ein Schmelzen der inneren Metallbeschichtungslage 44A auftritt, wird daher die innere Metallbeschichtung 44 absorbiert oder verschwindet auf andere Weise und ist nicht länger eine „Beschichtung“, sondern wird vielmehr eine Innenwand 46 der Mikrokugel 40.
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Unter Bezugnahme auf 2 ist die Verbindungslage 20 ausgestaltet, um sich mit der Oberfläche 18 des Substrats 16 und mit der Isolierlage 22 zu verbinden, so dass die Isolierlage 22 an dem Substrat 16 angebracht ist. In einer nicht einschränkenden Ausführungsform ist die Verbindungslage 20 ausgestaltet, um in die Oberfläche 18 des Substrats 16 und in die Isolierlage 22 zu diffundieren und somit Verbindungen dazwischen zu bilden. In einer nicht einschränkenden Ausführungsform umfasst das Substrat 16 Aluminium, die Isolierlage 22 umfasst nickelbeschichtete Mikrokugeln 40 und die Verbindungslage 20 umfasst Bronze, d.h. ein Kupfer-Zink-(Cu-Zn-)Legierungsmaterial. Der Cu-Zn-Gehalt wird derart festgelegt, dass eine optimale Verbindungsstärke, optimale Wärmeausdehnungseigenschaften, Wärmebehandlungsprozesse, Ermüdungsbeständigkeit und dergleichen geschaffen werden. Das Kupfer und der Zink weisen in Aluminium, Nickel und Eisen gute Feststofflöslichkeit auf, während Eisen und Nickel in Aluminium eine sehr geringe Feststofflöslichkeit aufweisen. Somit liefert eine Verbindungslage 20 mit Kupfer- und Zinkkombinationen eine Zwischenstrukturlage, die ein Diffusionsverbinden zwischen dem benachbarten Aluminiumsubstrat 16 und der benachbarten Nickel- oder Eisenisolierlage 22 fördert. Es ist jedoch festzustellen, dass das Substrat 16, die Isolierlage 22 und die Verbindungslage 20 nicht auf Aluminium, Nickel und Bronze begrenzt sind, sondern andere Materialien umfassen können.
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Eine Seite der Verbindungslage 20 kann über der Oberfläche 18 des Substrats 16 hinweg angeordnet sein, so dass die Verbindungslage 20 zwischen dem Substrat 16 und der Isolierlage 22 angeordnet ist. Es kann eine Druckkraft auf die Isolierlage 22 und das Substrat 16 bei einer Verbindungstemperatur für zumindest eine minimale Anwendungszeit aufgebracht werden. Die Schmelztemperatur des Materials der Verbindungslage 20 ist niedriger als die Schmelztemperatur eines jeden von dem Substrat 16 und dem Material der Isolierlage 22. In einer anderen Ausführungsform liegt die Schmelztemperatur des Materials der Verbindungslage 20 zwischen der Schmelztemperatur eines jeden von dem Substrat 16 und dem Material der Isolierlage 22. Darüber hinaus kann die erforderliche Verbindungstemperatur niedriger als die Schmelztemperatur des Materials des Substrats 16 und des Materials der Isolierlage 22 sein, aber ausreichend hoch, um zu bewirken, dass ein Diffusionsverbinden zwischen dem Metallmaterial des Substrats 16 und dem Metallmaterial der Verbindungslage 20 und zwischen dem Metallmaterial des Substrats 16 und dem Metallmaterial der Isolierlage 22 auftritt.
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Unter Bezugnahme auf 2 ist festzustellen, dass die Verbindungslage 20 mit einer inneren Oberfläche der Isolierlage 22 verbunden werden kann, bevor die Verbindungslage 20 mit der Oberfläche 18 des Substrats 16 verbunden wird.
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Zusätzlich ist die Verbindungslage 20 nicht darauf beschränkt, mit der Oberfläche 18 des Substrats 16 und/oder der Isolierlage 22 mit Festkörperdiffusion verbunden zu werden, da auch andere Anhaftungsverfahren verwendet werden können, wie etwa Benetzen, Löten und Kombinationen davon.
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Nun unter Bezugnahme auf 3 kann die Isolierlage 22 mehr als eine Lage umfassen. Genauer kann die Isolierlage 22 eine Mikrostrukturlage 22A und eine Übergangslage 22B umfassen. Die Mikrostrukturlage 22A ist eine Lage, die die Mehrzahl von hohlen Mikrokugeln 40 umfasst, die miteinander verbunden sind, wie es oben beschrieben wurde. Die Übergangslage 22B kann Nickel oder Eisen umfassen. Genauer sind das Metallmaterial der Übergangslage 22B und die Beschichtung für die Mikrokugeln 40 der Mikrostrukturlage 22A identisch, um ein Verbinden zwischen den Lagen 22A, 22B zu fördern. Von daher werden die Mikrokugeln 40 an einem Umfang der Mikrostrukturlage 22A mit der Übergangslage 22B verbunden, wenn die Mikrostrukturlage 22A und die Übergangslage 22B auf eine Temperatur erwärmt werden, die ausreicht, um die Mikrokugellage (d.h. die Isolierlage 22) mit der Übergangslage 22B aus dem Metallmaterial (d.h. Nickel, Eisen und dergleichen) zu sintern. Die Mikrostrukturlage 22A ist derart gebildet, dass sie eine Dicke T2 von zwischen 100 µm und 1 mm aufweist. Stärker bevorzugt liegt die Dicke T2 der Mikrostrukturlage 22A zwischen 100 und 500 µm. Noch stärker bevorzugt liegt die Dicke T2 der Mikrostrukturlage 22A zwischen 100 und 300 µm. Die Mikrostrukturlage 22A ist ausgestaltet, um Drücken von zumindest 150 bar und Oberflächentemperaturen von zumindest 1100°C standzuhalten.
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Die Übergangslage 22B verbindet sich mit der Beschichtung 44 der einzelnen Mikrokugeln 40 an Kontaktpunkten 47. Die Übergangslage 22B stellt eine unterstützende Struktur oder ein Rückgrat für die Mikrokugellage 22A zur Verfügung, wodurch der Isolierlage 22 Festigkeit und Steifigkeit verliehen wird. Von daher sind die Festigkeit und Steifigkeit der Isolierlage 22 eine Funktion der Dicke der Übergangslage. Zusätzlich wird die Übergangslage 22B mit der Verbindungslage 22 gegenüber der Mikrostrukturlage 22A verbunden, so dass die Verbindungslage 20 zwischen dem Substrat 16 und der Übergangslage 22B der Isolierlage 22 angeordnet ist. Von daher ist die Übergangslage 22B in einer zugewandten Kontaktbeziehung mit der Verbindungslage 20 angeordnet. Bei der Aufbringung von Wärme auf die Übergangslage und die Verbindungslage für eine ausreichende Zeitdauer erfolgt eine Metalldiffusion zwischen der Verbindungslage 20 und dem Substrat 16 und zwischen der Verbindungslage 20 und der Übergangslage 22B der Isolierlage 22. Die Übergangslage 22B liefert einen größeren Oberflächenkontakt mit der Verbindungslage 20, um eine größere Fläche eines Diffusionsverbindens zu fördern, als wenn die Übergangslage 22B nicht verwendet wird, und die Mikrokugeln 40 der Mikrostrukturlage 22A verbinden sich über Diffusion direkt mit der Verbindungslage 20 (wie es in 2 gezeigt ist).
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Es ist festzustellen, dass eine gewünschte Zahl von Verbindungslagen 20 angewandt werden kann, die gewünschten Eigenschaften vorausgesetzt, solange die Verbindungslage 20 sich mit der Isolierlage 22 und mit dem Substrat 16 verbindet.
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Wieder unter Bezugnahme auf 2 ist die Versiegelungslage 24 über der Isolierlage 22 angeordnet, so dass die Isolierlage 22 zwischen der Versiegelungslage 24 und der Verbindungslage 20 angeordnet ist. Die Versiegelungslage 24 ist ein Hochtemperatur-Dünnfilm. Genauer umfasst die Versiegelungslage 24 Material, das ausgestaltet ist, um Temperaturen von zumindest 1100°C standzuhalten. Die Versiegelungslage 24 ist derart ausgestaltet, dass sie dünn ist, d.h. eine Dicke T3 von nicht größer als 20 µm aufweist. Stärker bevorzugt ist die Versiegelungslage 24 derart ausgestaltet, dass sie eine Dicke T3 von nicht größer als 5 µm aufweist. Die Versiegelungslage 24 ist für Verbrennungsgase undurchlässig, so dass zwischen der Versiegelungslage 24 und der Isolierlage 22 eine Abdichtung vorgesehen ist. Eine solche Abdichtung verhindert, dass Schmutz aus Abgasen, wie nicht verbrannte Kohlenwasserstoffe, Ruß, teilweise reagierter Kraftstoff, flüssiger Kraftstoff und dergleichen, in die durch die hohlen Mikrokugeln 40 definierte, poröse Struktur eintreten. Wenn zugelassen werden würde, dass solcher Schmutz in die poröse Struktur einträte, würde in der porösen Struktur befindliche Luft schließlich durch den Schmutz ersetzt werden und die isolierenden Eigenschaften der Isolierlage 22 würden verringert oder beseitigt werden.
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Die Versiegelungslage 24 kann derart ausgestaltet sein, dass sie an einer äußeren Oberfläche 42 vorhanden ist, die glatt ist. Eine glatte Versiegelungslage 24 zu besitzen, kann wichtig sein, um die Schaffung einer turbulenten Luftströmung zu verhindern, wenn die Luft über die äußere Oberfläche 42 der Versiegelungslage 24 hinwegströmt. Eine Versiegelungslage 24 mit einer glatten Oberfläche zu besitzen wird darüber hinaus einen erhöhten Wärmeübergangskoeffizienten verhindern. In einem nicht einschränkenden Beispiel kann die Versiegelungslage 24 auf der Isolierlage 22 über Elektroplattieren oder Dampfabscheidung aufgebracht werden. In einem anderen nicht einschränkenden Beispiel kann die Versiegelungslage 24 gleichzeitig mit dem Sintern der Isolierlage 22 auf die Isolierlage aufgebracht werden.
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Die Versiegelungslage 24 ist derart ausgestaltet, dass sie ausreichend nachgiebig ist, um einem Brechen oder Rissbildung währenddessen standzuhalten, dass sie Verbrennungsgasen, thermischer Ermüdung oder Schmutz ausgesetzt ist. Darüber hinaus ist die Versiegelungslage 24 derart ausgestaltet, dass sie ausreichend elastisch ist, um eine Ausdehnung und/oder Zusammenziehung der darunterliegenden Isolierlage 22 standzuhalten.
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Wieder unter Bezugnahme auf 3 kann die Versiegelungslage 24 mehr als eine Lage umfassen. Genauer kann die Versiegelungslage 24 eine erste Barrierenlage 24A und eine zweite Barrierenlage 24B umfassen. Die erste Barrierenlage 24A kann auf der Isolierlage 22 angeordnet sein, und die zweite Barrierenlage 22B kann auf der ersten Barrierenlage 24A angeordnet sein, so dass die erste Barrierenlage 24A zwischen der zweiten Barrierenlage 24B und der Isolierlage 22 angeordnet ist. Die zweite Barrierenlage 24B kann derart ausgestaltet sein, dass sie eine äußere Oberfläche 42 aufweist, die glatt ist. Die erste Barrierenlage 24A und die zweite Barrierenlage 24B können übereinandergeschichtet werden, um die gewünschten Eigenschaften zur Verfügung zu stellen, z.B. äußerst hohe Temperaturbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit. In einem nicht einschränkenden Beispiel liefert die zweite Barrierenlage 24B Korrosionsbeständigkeit und äußert hohe Temperaturbeständigkeit, wohingegen die erste Barrierenlage 24A eine Abdichtung gegen die darunterliegende Isolierlage 22 zur Verfügung stellt, um zu verhindern, dass Schmutz in offene Räume, die zwischen Mikrokugeln 40 der darunterliegenden Isolierlage 22 definiert sind, eintreten kann. Es ist festzustellen, dass eine gewünschte Zahl von Versiegelungslagen 24 angewandt werden kann, die gewünschten Eigenschaften vorausgesetzt, solange die Versiegelungslage 24 gegen die darunterliegende Isolierlage 22 abdichtet, um zu verhindern, dass Schmutz oder Gase in die offenen Räume, die zwischen den Mikrokugeln 40 definiert sind, eintreten kann. Zusätzlich ist die Dicke T3 der Versiegelungslage 24, ungeachtet der Zahl von Komponentenbarrierenlagen vorzugsweise nicht größer als 20 µm. Stärker bevorzugt ist die Dicke T3 der Versiegelungslage 24 derart ausgestaltet, dass sie eine Dicke T3 von nicht größer als 5 µm aufweist.
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Darüber hinaus sind die Verbindungs-, Isolier- und Versiegelungslagen 20, 22, 24 jeweils derart ausgestaltet, dass sie einen verträglichen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen, um thermischer Ermüdung standzuhalten.
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Es ist festzustellen, dass die Verbundstoff-TBC 14 auf andere Komponenten angewandt werden kann, als sie in einer Brennkraftmaschine vorhanden sind. Genauer kann die Verbundstoff-TBC 14 auf Komponenten von Raumfahrzeugen, Raketen, Spritzgussformen und dergleichen angewandt werden.
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Nun unter Bezugnahme auf 7 ist das additive Fertigungssystem 50 gezeigt. Das additive Fertigungssystem 50 umfasst eine additive Fertigungsvorrichtung 52 und einen Ofen 54. Wieder unter Bezugnahme auf 7 ist die additive Fertigungsvorrichtung 52 derart ausgestaltet, dass die 3D-Isolierstruktur 15 durch einen additiven Fertigungsprozess gebildet wird, bei welchem eine Laservorrichtung 56 einen Laserstrahl 58 auf vorbestimmte Stellen einer Lage aus abgeschiedenen hohlen Mikrokugeln 40 lenkt. Der Laserstrahl 58 verschmilzt die Beschichtungen 44 der benachbarten Mikrokugeln 40 miteinander, um eine stark isolierende 3D-Struktur 15 mit niedriger Wärmekapazität zur Verfügung zu stellen. Die 3D-Isolierstruktur 15 wird in einen vorgeheizten Ofen 54 über einen erforderlichen Zeitraum (t) gesetzt, bis das gewünschte Sintern erfolgt, so dass eine ausreichende Diffusion der Metallmaterialien zwischen den Lagen erreicht wird.
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Unter Bezugnahme auf 8 und unter fortgesetzter Bezugnahme auf 7 ist das Verfahren zum Bilden der 3D-Isolierstruktur 15 gezeigt. Das Verfahren 100 verwendet einen additiven Fertigungsprozess, wie etwa direktes Metalllasersintern (DMLS), selektives Lasersintern (SLS) und selektives Laserschmelzen (SLM) und dergleichen.
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„Additives Fertigen“ kann manchmal als „3D-Druck“ bezeichnet werden. Additives Fertigen ist ein Fertigungsprozess zum Herstellen der 3D-Isolierstruktur 15 mit einer gewünschten Form aus einem digitalen Modell. Die 3D-Form wird unter Verwendung eines additiven Prozesses erreicht, wobei aufeinanderfolgende Lagen aus hohlen Mikrokugeln 40 in unterschiedlichen Formen gelegt werden. Die hohlen Mikrokugeln 40 können durch die additive Fertigungsvorrichtung 52 auf eine gewünschte Weise aufgebracht werden. Ein Materialdrucker führt üblicherweise 3D-Druckprozesse unter Verwendung einer digitalen Technologie durch, um komplex geformte Komponenten mit hoher Isolierfähigkeit herzustellen. Die 3D-Drucktechnologie kann sowohl zur Prototypherstellung als auch zur verteilten Fertigung mit Anwendungen in Architektur, Konstruktion (AEC), industriellem Design, Kraftfahrzeug, Raumfahrt, militärischer Konstruktion, ziviler Konstruktion, zahnmedizinischen und medizinischen Industrien, Biotechnologie (Ersatz für menschliches Gewebe), Mode, Fußbekleidung, Schmuck, Brillen und Kontaktlinsen, Ausbildung, geographischen Informationssystemen, Nahrungsmitteln und vielen anderen Gebieten verwendet werden.
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SLM ist ein additiver Fertigungsprozess, der 3D-CAD-Daten als eine digitale Informationsquelle und Energie in der Form eines Hochleistungs-Laserstrahls 58, zum Beispiel eines Ytterbium-Faser-Lasers, verwendet, um dreidimensionale Metallteile durch Verschmelzen der Metallbeschichtungen 40 miteinander zu schaffen.
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Selektives Lasersintern (SLS) ist eine weitere additive Fertigungstechnik, die einen Laser 56 als die Leistungsquelle verwendet, um pulverförmiges Material, wie zum Beispiel Metallpulver, zu sintern, wobei der Laser automatisch auf Punkte im Raum gerichtet wird, die durch ein 3D-Modell definiert werden, wobei das Material miteinander verbunden wird, um eine feste Struktur zu schaffen. Der Prozess ist ähnlich wie direktes Metalllasersintern (DMLS); die beiden sind Umsetzungen des gleichen Konzepts, unterscheiden sich aber in technischen Details. SLM verwendet ein vergleichbares Konzept, aber in SLM wird das Material vollständig geschmolzen, anstatt gesintert. SLS gestattet unterschiedliche Eigenschaften, wie etwa Kristallstruktur, Porosität usw., die in dem abschließenden Teil zweckmäßig sein können. SLS ist eine relativ neue Technologie, die bislang hauptsächlich für Rapid Prototyping und für die Produktion von Komponententeilen mit geringem Volumen verwendet worden ist. In einer Ausführungsform kann das Verbundstoffmaterial, Keramik-, Glas-, Mineral- oder Metallpartikel umfasst, zu einem Filament und durch Fused Selective Laser Sintering (SLS) abgegeben werden.
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Direktes Metalllasersintern (DMLS) ist eine nochmals weitere additive Fertigungstechnik, die einen Laser 56 als die Leistungsquelle verwendet, um einen Laserstrahl 58 zu lenken und somit pulverförmiges Material (in der Regel Metall) zu sintern, wobei der Laserstrahl 58 automatisch auf Punkte im Raum gerichtet wird, die durch ein 3D-Modell definiert sind, wodurch das Beschichtungsmaterial 44 miteinander verbunden wird, um schließlich eine 3D-Isolierstruktur 15 zu schaffen. Der DMLS-Prozess ist ähnlich wie SLS. SLM verwendet ein vergleichbares Konzept, aber in SLM wird das Material vollständig geschmolzen, anstatt gesintert, was unterschiedliche Eigenschaften (Kristallstruktur, Porosität usw.) zulässt. Der DMLS-Prozess umfasst die Verwendung eines 3D-CAD-Modells, wobei eine Computer-CAD-Datei erzeugt und in einem Controller 60 gespeichert werden kann. Während des Betriebes kann die 3D-Isolierstruktur 15 als eine Mehrzahl von einzelnen Lagen moduliert werden. Der Laser 56 der Maschine 52 steht mit dem Controller 60 in funktioneller Verbindung. Von daher liefert der Controller 60 Signale S56 an den Laser 56, um die ausgewählten Bereiche der 3D-Isolierstruktur abzurastem. Die Maschine 52 kann auch eine Materialabgabeplattform und eine Aufbauplattform zusammen mit einer Abstreichklinge umfassen, die verwendet wird, um neue hohle Mikrokugeln 40 über die Aufbauplattform 64 zu bewegen. Die Technologie verschmilzt die hohlen Mikrokugeln 40 miteinander zu einem porösen, massiven Teil, indem sie lokal unter Verwendung des fokussierten Laserstrahls 58 geschmolzen werden. Teile der 3D-Isolierstruktur 15 werden additiv Lage um Lage 40A1, 40A2 aufgebaut, wie es in 7 veranschaulicht ist. DMLS ist ein Endkonturformungsprozess, der Teile mit hoher Genauigkeit und Detailauflösung, guter Oberflächenqualität und ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften erzeugt.
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Wieder unter Bezugnahme auf 8 beginnt das Verfahren bei Schritt 102, bei welchem eine Basis 62 auf einer Werkzeugplattform 64 der additiven Fertigungsvorrichtung 52 angeordnet wird. Die Basis 62 kann die Verbindungslage 20, die Übergangslage 22B, ein Opfermaterial und dergleichen sein.
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Das Verfahren schreitet zu Schritt 104 fort, bei dem eine erste Lage 40A1 aus hohlen Mikrokugeln 40 auf der Basis 62 abgeschieden wird. Wie es oben beschrieben wurde, kann auf den hohlen Mikrokugeln 40 eine Metallbeschichtung 44 gebildet sein.
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Das Verfahren schreitet dann zu Schritt 106 fort, bei dem ein Laserstrahl 58 über die hohlen Mikrokugeln 40 gescannt bzw. sequentiell geführt wird, um die Metallbeschichtung 44 aus den hohlen Mikrokugeln 40 an vorbestimmten Stellen zu sintern.
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Als Nächstes schreitet das Verfahren zu Schritt 108 fort, bei dem zumindest eine Lage 40A2 aus den hohlen Mikrokugeln 40 auf der ersten Lage 40A1 aus Mikrokugeln 40 abgeschieden wird. Das Verfahren kehrt zurück, um Schritt 106 zu wiederholen, bis die gewünschte 3D-Isolierstruktur 15 erreicht ist.
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Sobald die gewünschte 3D-Isolierstruktur 15 erreicht worden ist, schreitet das Verfahren zu Schritt 110 fort, bei dem die 3D-Isolierstruktur 15 in den Ofen 54 eingesetzt wird. Der Ofen 54 wird vorzugsweise auf eine Temperatur vorgewärmt, die niedriger als der Solidus des Kupfers und Nickels ist. Dieser Schritt 110 wird verwendet, wenn die hohlen Mikrokugeln die inneren und äußeren Metallbeschichtungslagen 44A, 44B umfassen, die in den 4 - 6 gezeigt sind und hierin zuvor beschrieben wurden. Während benachbarte äußere Metallbeschichtungslagen 44B infolge der Anwendung des Laserstrahls 58 in den Schritt 108 miteinander gesintert werden können, würde der Laserstrahl 58 nicht bewirken, dass die gewünschte Diffusion und Legierungsbildung zwischen den Metallmaterialien der inneren und äußeren Metallbeschichtungslagen 44A, 44B auftreten würde. Von daher wird der Ofen 54 benutzt, um das beabsichtigte Ergebnis zu erreichen.
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Als Nächstes schreitet das Verfahren zu Schritt 112 fort, bei dem die 3D-Isolierstruktur 15 in dem Ofen 54 bei der vorgewärmten Temperatur (T) für zumindest eine gewünschte Standzeit (t) stehengelassen wird, so dass das gewünschte Niveau an Diffusion aufgetreten ist, d.h. wenn das Ni der inneren Metallbeschichtungslage 44A mit dem Cu der äußeren Metallbeschichtungslage 44B diffundiert ist. Zusätzlich wird die 3D-Struktur 15 bei einem Druck einer inerten Atmosphäre stehengelassen, so dass ein Druck innerhalb einer jeden der hohlen Mikrokugeln 40 an den atmosphärischen Druck während des Stehenlassens angeglichen wird. Die Verwendung eines unter Druck gesetzten Systems kann die Ausdehnung der hohlen Mikrokugeln 40, die durch Gasdruck im Inneren hervorgerufen wird, kompensieren.
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Zusätzlich ist festzustellen, dass während des Betriebes der additiven Fertigungsvorrichtung 52 eine oder mehrere der weiteren Lagen 20, 24 der TBC 14 auf die Isolierlage 22 aufgebracht werden und an die Isolierlage 22 über Betrieb des Lasers 56 gesintert werden können. Die Materialien, die verwendet werden, um die Versiegelungslage 24 und/oder die Verbindungslage 20 zu erzeugen, können einzeln der additiven Maschine 52 über einzelne Zufuhrvorrichtungen zugeführt werden. Das Material kann als ein Pulver oder als eine geformte Bahn vorliegen, das/die sich in die additive Maschine 52 bewegt. Das Material, das aufgebracht wird, um die Versiegelungslage 24 zu bilden, kann geschmolzen werden, um eine undurchlässige Versiegelungslage für die Isolierlage 22 darunter zu bilden.
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Alternativ können eine oder mehrere der anderen Lagen 20, 24 auf die Isolierlage 22 durch physikalische oder chemische Dampfabscheidung, Elektroplattieren oder dergleichen aufgebracht werden.
