DE102017130824B4

DE102017130824B4 - Verfahren zum abscheiden einer oder mehrerer schichten von mikrokugeln zum bilden einer wärmedämmschicht

Info

Publication number: DE102017130824B4
Application number: DE102017130824.5A
Authority: DE
Inventors: Michael J. Walker
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2016-12-29
Filing date: 2017-12-20
Publication date: 2022-12-29
Anticipated expiration: 2037-12-21
Also published as: US10214825B2; US20180185876A1; CN108251832A; DE102017130824A1; CN108251832B

Abstract

Verfahren zum Bilden einer Wärmedämmschicht (10) auf einem Metallbauteil (16), das Verfahren umfassend:das Aufkleben einer metallischen Vorläuferfixierschicht (40) auf eine Oberfläche (14) eines Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils (16), wobei die metallische Vorläuferfixierschicht (40) Kupfer, eine Kupferlegierung oder eine Nickellegierung ist;das Anordnen von Mikrohohlkugeln (38) gegen das Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteil (16), so dass die Mikrohohlkugeln (38) mit der metallischen Vorläuferfixierschicht (40) in Kontakt kommen, wobei die Mikrohohlkugeln (38) eine äußere Schicht aus Nickel, einer Nickellegierung, Eisen oder einer Eisenlegierung aufweisen;das Erwärmen der metallischen Vorläuferfixierschicht (40) auf eine Temperatur oberhalb der Liquidustemperatur der metallischen Vorläuferfixierschicht (40), um die metallische Vorläuferfixierschicht (40) zu schmelzen und eine Schicht (36) aus Mikrohohlkugeln (38) zu benetzen, die sich benachbart zur Oberfläche (14) des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils (16) befindet;das Abkühlen der metallischen Vorläuferfixierschicht (40) auf eine Temperatur unterhalb der Solidustemperatur der metallischen Vorläuferfixierschicht (40), um die metallische Vorläuferfixierschicht (40) zu verfestigen und die Schicht (36) aus Mikrohohlkugeln (38) mit der Oberfläche (14) des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils (16) zu verbinden;das Bewegen der Mikrohohlkugeln (38), die nicht durch die metallische Vorläuferfixierschicht (40) gebunden sind, weg vom Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteil (16); unddas Erwärmen des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils (16) und der Schicht (36) aus Mikrohohlkugeln (38), die an die Oberfläche (14) des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils (16) gebunden sind, um die Mikrohohlkugeln (38) aneinander und an die Oberfläche (14) des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils (16) so zu sintern, dass eine Festkörperverbindung zwischen der Schicht (36) aus Mikrohohlkugeln (38) und des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils (16) gebildet wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Das technische Gebiet dieser Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf eine Wärmedämmschicht, die aus einer isolierenden Schicht mit einer oder mehreren Schichten hohler Mikrokugeln besteht, und insbesondere auf Verfahren zu deren Herstellung.
HINTERGRUND
Wärmedämmschichten sind eine Klasse von isolierenden Beschichtungen, die zur Anwendung auf Metalloberflächen entwickelt wurden, die bei erhöhten Temperaturen arbeiten. In bestimmten Industriezweigen, wie zum Beispiel in der Automobilindustrie, hat das Aufkommen neuer Werkstoffe und fortschrittlicher thermomechanischer Systeme zusammen mit dem Interesse am Abgaswärmemanagement dazu geführt, dass bestimmte Metallkomponenten benötigt werden, um über einen längeren Zeitraum einer starken Hitze- und Wärmebelastung standhalten zu können. Der Verbrennungsmotor und das Abgassystem des Motors sind zwei bemerkenswerte Systeme innerhalb eines Automobils, bei denen Wärmedämmschichten aufgrund der Temperaturen, die mit der Verbrennung eines Luft-/Kraftstoffgemischs und dem Management von Verbrennungsnebenprodukten verbunden sind, nützlich sein können. Wärmedämmschichten eignen sich theoretisch gut für diese und andere Anwendungen, da sie die thermische Belastung des darunter liegenden Metalls wirksam begrenzen und verhindern, dass Wärme an die umgebende Umwelt abgegeben wird, was die Lebensdauer des Bauteils verlängern und den Wirkungsgrad des Systems verbessern kann. Während eine Vielzahl von Wärmedämmschichten bereits bekannt ist, wird die Suche nach neuen Wärmedämmschichten und verwandten Techniken zum Aufbringen dieser Schichten auf einfache und komplexe Bauteiloberflächen fortgesetzt.
US 2018 / 0 038 276 A1 offenbart eine metallische Wärmedämmschicht für ein Bauteil, umfassend eine Isolierschicht mit einer Vielzahl von metallischen Mikrokugeln, die auf ein Substrat aufgebracht ist. Eine zweite metallische undurchlässige Schicht ist mit der Isolierschicht verbunden, sodass die Dichtungsschicht gegen die Isolierschicht abdichtet. Ein Verfahren zum Aufbringen einer Wärmedämmschicht auf ein Bauteil umfasst das Aufbringen einer Isolierschicht mit einer Vielzahl von Mikrokugeln auf eine Oberfläche des Substrats des Bauteils. Auf die Isolierschicht wird eine Wärmebehandlung angewendet. Eine zweite undurchlässige Schicht wird mit der Isolierschicht verbunden und dichtet gegen diese ab.
ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
Ein Verfahren zum Bilden einer Wärmedämmschicht auf einem Metallbauteil gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung beinhaltet mehrere Schritte. Zuerst wird eine metallische Vorläuferfixierschicht auf die Oberfläche eines Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils aufgeklebt. Die Vorläuferfixierschicht ist eine Schicht aus Kupfer, einer Kupferlegierung oder einer Nickellegierung. Zum anderen werden hohle Mikrokugeln so gegen das Bauteil positioniert, dass die Mikrohohlkugeln mit der metallischen Vorläuferfixierschicht in Kontakt kommen. Die Mikrohohlkugeln weisen eine äußere Schicht aus Nickel, einer Nickellegierung, Eisen oder einer Eisenlegierung auf. Zum Dritten wird die metallische Vorläuferfixierschicht auf eine Temperatur über der Liquidustemperatur der Vorläuferfixierschicht erwärmt, um die Vorläuferfixierschicht zu schmelzen und eine Schicht aus Mikrohohlkugeln zu benetzen, die sich angrenzend an die Oberfläche des Bauteils befindet. Viertens wird die Vorläuferfixierschicht auf eine Temperatur unterhalb der Solidustemperatur der Vorläuferfixierschicht abgekühlt, um die Vorläuferfixierschicht zu verfestigen und die Schicht aus Mikrohohlkugeln mit der Oberfläche des Bauteils zu verbinden. Fünftens werden die Mikrohohlkugeln, die nicht durch die metallische Vorläuferfixierschicht gebunden sind, vom Bauteil wegbewegt. Und sechstens, sind das Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteil und die Schicht aus Mikrohohlkugeln, die an die Oberfläche des Bauteils gebunden sind, erwärmt, um die Mikrohohlkugeln miteinander und mit der Oberfläche des Bauteils so zu sintern, dass eine Festkörperverbindung zwischen der Schicht aus Mikrohohlkugeln und der Oberfläche des Bauteils aus Eisenlegierung oder Nickellegierung gebildet wird.
Die Mikrohohlkugeln, die metallische Vorläuferfixierschicht und das Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteil können weiter definiert werden. Die Mikrohohlkugeln können auf verschiedene Weise konstruiert werden, um ihre äußere Schicht aus Nickel, einer Nickellegierung, Eisen oder einer Eisenlegierung zu stützen. In einer Ausführungsform beinhalten beispielsweise zumindest einige der Mikrohohlkugeln einen Glashohlboden, der außen mit einer Schicht aus Nickel, einer Nickellegierung, Eisen oder einer Eisenlegierung beschichtet ist. In einer weiteren Ausführungsform beinhalten zumindest einige der Mikrohohlkugeln eine hohle polymere Basiswand, die außen mit einer Schicht aus Nickel, einer Nickellegierung, Eisen oder einer Eisenlegierung beschichtet ist. Und, in noch einer weiteren Ausführungsform beinhalten zumindest einige der Mikrohohlkugeln eine hohle keramische Basiswand, die außen mit einer Schicht aus Nickel, einer Nickellegierung, Eisen oder einer Eisenlegierung beschichtet ist. Darüber hinaus kann das Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteil aus einer Eisenlegierung oder einer Nickellegierung ein Motorkolben, ein Einlassventil, ein Auslassventil, ein Motorblock, ein Motorkopf, ein Abgasrohr oder ein Turboladergehäuse sein, um nur einige Beispiele zu nennen, und die metallische Vorläuferfixierschicht kann an Ort und Stelle mit einer Dicke von 0,1 µm bis 20 µm verklebt werden.
Die einzelnen Schritte des offenbarten Verfahrens zur Herstellung der Wärmedämmschicht können auf eine bestimmte bevorzugte Weise durchgeführt werden. Um sicher zu sein, wird das Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteil und die Schicht aus Mikrohohlkugeln, die mit der Oberfläche des Bauteils verbunden sind, erwärmt, um diese Einheiten aneinander zu sintern und dadurch die Festkörperverbindung zu bilden, indem die Mikrokugeln und das Bauteil auf eine Temperatur unterhalb der Solidustemperatur der Vorläuferfixierschicht erwärmt werden, zumindest solange, bis sich die metallische Vorläuferfixierschicht in die äußere Schicht der Mikrohohlkugeln und das Bauteil aus einer Eisen- oder Nickellegierung auflöst. Wenn beispielsweise die Vorläuferfixierschicht Kupfer ist, ist die Solidus- und Liquidustemperatur der metallischen Vorläuferfixierschicht die Schmelztemperatur von Kupfer oder 1085 °C. In diesem Zusammenhang umfasst das Erwärmen der metallischen Vorläuferfixierschicht auf über die Liquidustemperatur das Erwärmen der metallischen Vorläuferfixierschicht auf über 1085 °C, das Abkühlen der metallischen Vorläuferfixierschicht auf unter die Solidustemperatur, das Abkühlen der metallischen Vorläuferfixierschicht auf unter 1085 °C, und eine Option zum Erwärmen des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils und der Schicht aus Mikrohohlkugeln zum Sintern der Mikrohohlkugeln aneinander und auf die Oberfläche des Bauteils wäre das Erwärmen der Schicht aus Mikrohohlkugeln und des Bauteils auf eine Temperatur im Bereich von 800 °C bis 1085 °C.
Vor dem Erwärmen des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils und der Mikrohohlkugeln zum Sintern der Mikrohohlkugeln aneinander und an die Oberfläche des Bauteils können zusätzliche Schichten aus Mikrohohlkugeln auf der ersten abgeschiedenen Schicht aufgebracht werden. Um eine zweite Schicht aus Mikrohohlkugeln abzuscheiden, kann das Verfahren zum Bilden einer Wärmedämmschicht weiterhin das Anhaften einer zweiten metallischen Vorläuferfixierschicht auf der Schicht aus Mikrohohlkugeln beinhalten, die mit der Oberfläche des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils verbunden sind. Die metallische Vorläuferfixierschicht kann wiederum eine Schicht aus Kupfer, einer Kupferlegierung oder einer Nickellegierung sein. Als nächstes werden Mikrohohlkugeln gegen das Bauteil angeordnet, sodass die Mikrohohlkugeln die zweite metallische Vorläuferfixierschicht berühren, die über der Schicht aus Mikrohohlkugeln liegt, die mit der Oberfläche des Bauteils verbunden ist. Die Mikrohohlkugeln weisen eine äußere Schicht aus Nickel, einer Nickellegierung, Eisen oder einer Eisenlegierung auf. Die zweite metallische Vorläuferfixierschicht wird dann auf eine Temperatur oberhalb ihrer Liquidustemperatur erwärmt, um die zweite metallische Vorläuferfixierschicht zu schmelzen und eine zweite Schicht aus Mikrohohlkugeln zu benetzen, die sich benachbart zu der Schicht aus Mikrohohlkugeln befindet, die an die Oberfläche des Bauteils gebunden ist, gefolgt von der Abkühlung der zweiten metallischen Vorläuferfixierschicht auf eine Temperatur unterhalb ihrer Solidustemperatur, um die zweite metallische Vorläuferfixierschicht zu verfestigen und die zweite Schicht aus Mikrohohlkugeln mit der Schicht aus Mikrohohlkugeln zu verbinden, die an die Oberfläche des Bauteils gebunden sind. Alle Mikrohohlkugeln, die nicht mit der zweiten metallischen Vorläuferfixierschicht verbunden sind, werden schließlich vom Bauteil wegbewegt.
Mehr als eine zusätzliche Schicht von Mikrohohlkugeln kann auf die erste anfänglich abgeschiedene Schicht aufgebracht werden. Tatsächlich können die vorstehend genannten zusätzlichen Schritte in Bezug auf das Abscheiden der zweiten Schicht von Mikrohohlkugeln beliebig oft wiederholt werden, um weitere Schichten von Mikrohohlkugeln nacheinander auf die zweite Schicht von Mikrohohlkugeln aufzubringen. Sobald alle Schichten der Mikrohohlkugeln abgeschieden sind, beinhaltet das Erwärmen des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils und der Schicht der Mikrohohlkugeln zum Sintern der Mikrohohlkugeln aneinander und an die Oberfläche des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils das Sintern aller nacheinander aufgebrachten Schichten von Mikrohohlkugeln aneinander sowie an die Oberfläche des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils.
Ein Verfahren zum Bilden einer Wärmedämmschicht auf einem Metallbauteil gemäß einer weiteren Ausführungsform der Offenbarung beinhaltet mehrere Schritte. Zuerst werden eine oder mehrere Schichten von Mikrohohlkugeln auf die Oberfläche eines Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils aufgebracht. Die Mikrohohlkugeln jeder der einen oder mehreren Schichten weisen eine äußere Schicht aus Nickel, einer Nickellegierung, Eisen oder einer Eisenlegierung auf, und jede der einen oder mehreren Schichten aus Mikrohohlkugeln ist entweder mit der Oberfläche des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils oder mit einer zuvor abgeschiedenen Schicht aus Mikrohohlkugeln durch eine metallische Vorläuferfixierschicht aus Kupfer, einer Kupferlegierung oder einer Nickellegierung verbunden. Zweitens werden die einen oder mehreren Schichten von Mikrohohlkugeln und das Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteil erwärmt, um die Mikrohohlkugeln aneinander und an die Oberfläche des Bauteils zu sintern, um so eine isolierende Schicht zu erzeugen. Und drittens wird eine gasundurchlässige Dichtungsschicht auf die Isolierschicht aufgetragen, um eine Wärmedämmschicht auf der Oberfläche des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils zu bilden.
Das Abscheiden einer ersten Schicht von Mikrohohlkugeln auf die Oberfläche des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils weist das Aufkleben einer metallischen Vorläuferfixierschicht auf die Oberfläche des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils auf, indem Mikrohohlkugeln mit einer metallischen Vorläuferfixierschicht in Kontakt gebracht werden, die metallische Vorläuferfixierschicht auf eine Temperatur oberhalb ihrer Liquidustemperatur erwärmt wird, um die metallische Vorläuferfixierschicht zu schmelzen und eine Schicht aus Mikrohohlkugeln anzufeuchten, die metallische Vorläuferfixierschicht auf eine Temperatur unterhalb ihrer Solidustemperatur abgekühlt wird, um die metallische Vorläuferfixierschicht zu verfestigen und die Schicht aus Mikrohohlkugeln mit der Oberfläche des Bauteils zu verbinden, und um Mikrohohlkugeln, die nicht mit der metallischen Vorläuferfixierschicht verbunden sind, von dem Bauelement wegzubewegen. Nur diese erste Schicht von Mikrohohlkugeln kann abgeschieden werden, oder alternativ können zusätzliche Schichten von Mikrohohlkugeln auf die erste Schicht aufgebracht werden.
Ebenso kann das Abscheiden jeder zusätzlichen Schicht von Mikrohohlkugeln auf der Oberfläche des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils das Anhaften einer weiteren metallischen Vorläuferfixierschicht auf einer zuvor abgeschiedenen Schicht von Mikrohohlkugeln beinhalten, wobei die Mikrohohlkugeln mit der anderen metallischen Vorläuferfixierschicht in Kontakt gebracht werden, das Erwärmen der anderen metallischen Vorläuferfixierschicht auf eine Temperatur oberhalb ihrer Liquidustemperatur, um die andere Vorläuferfixierschicht zu schmelzen und eine weitere Schicht von Mikrohohlkugeln zu benetzen, die sich angrenzend an die zuvor abgeschiedene Schicht von Mikrohohlkugeln befindet, Kühlen der anderen metallischen Vorläuferfixierschicht auf eine Temperatur unterhalb ihrer Solidustemperatur, um die andere Vorläuferfixierschicht zu verfestigen und die andere Schicht aus Mikrohohlkugeln mit der zuvor abgeschiedenen Schicht aus Mikrohohlkugeln zu verbinden, und Bewegen von Mikrohohlkugeln, die nicht mit der anderen metallischen Vorläuferfixierschicht verbunden sind, weg von der Bauteilkomponente Die Mikrohohlkugeln, die aus den abgeschiedenen Schichten der Mikrohohlkugeln gebildete Isolierschicht und die gasundurchlässige Dichtungsschicht können weiter definiert werden. So können beispielsweise die Mikrohohlkugeln in jeder der einen oder mehreren Schichten von Mikrohohlkugeln (1) Glasbasiswände, die außen mit einer Schicht aus Nickel, einer Nickellegierung, Eisen oder einer Eisenlegierung beschichtet sind, (2) polymere Basiswände, die außen mit einer Schicht aus Nickel, einer Nickellegierung, Eisen oder einer Eisenlegierung beschichtet sind, oder (3) keramische Basiswände, die außen mit einer Schicht aus Nickel, einer Nickellegierung, Eisen oder einer Eisenlegierung beschichtet sind, umfassen. Darüber hinaus kann die Isolierschicht eine Dicke von 5 µm bis 5 mm aufweisen, abhängig von der Größe der Mikrohohlkugeln und der Anzahl der Schichten der Mikrohohlkugeln, die auf die Oberfläche des Bauteils aufgebracht sind. Die gasundurchlässige Dichtungsschicht, die über der Isolierschicht aufgebracht wird, kann aus Nickel, Edelstahl, einer Nickelbasis-Superlegierung, Vanadium, Molybdän oder Titan bestehen.
In einigen Implementierungen des Verfahrens zum Bilden einer Wärmedämmschicht besteht die metallische Vorläuferfixierschicht, die jede Schicht von Mikrohohlkugeln entweder an die Oberfläche des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils oder an eine zuvor aufgebrachte Schicht von Mikrohohlkugeln bindet, aus Kupfer. Die Liquidus- und Solidustemperaturen von Kupfer sind gleich - d. h. 1085 °C. Dementsprechend, wenn jede der metallischen Vorläufer-Einstellungsschichten aus Kupfer besteht, wäre eine Option zum Erwärmen des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils und der einen oder mehreren Schichten von Mikrohohlkugeln zum Sintern der Mikrohohlkugeln aneinander und an die Oberfläche des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils, das Bauteil und die einen oder mehreren Schichten von Mikrohohlkugeln auf eine Temperatur im Bereich von 800 °C bis 1085 °C zu erwärmen.
Figurenliste

1 ist ein idealisierter Querschnitt einer Wärmedämmschicht, die auf einem Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteil gebildet wird und dieses bedeckt, gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung;
2 ist eine idealisierte Querschnittsansicht einer Wärmedämmschicht, die auf einem Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteil gebildet wird und dieses bedeckt, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Offenbarung;
3 ist eine Querschnittsansicht einer der Mikrohohlkugeln, die sich auf dem Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteil während des Abscheidens einer Schicht von Mikrohohlkugeln unter Verwendung der metallischen Vorläuferfixierschicht, wie in den 6-8 dargestellt, befinden;
4 verdeutlicht ein Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteil vor dem Bilden einer Wärmedämmschicht über einer Oberfläche des Bauteils;
5 verdeutlicht das Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteil mit einer metallischen Vorläuferfixierschicht, die auf der Oberfläche des Bauteils haftet;
6 verdeutlicht, dass Mikrohohlkugeln auf dem Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteil so angeordnet sind, dass die Mikrohohlkugeln in Kontakt mit der metallischen Vorläuferfixierschicht stehen;
7 verdeutlicht die metallische Vorläuferfixierschicht in geschmolzenem Zustand und das Benetzen einer Schicht aus Mikrohohlkugeln, die benachbart zur Oberfläche des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils angeordnet sind;
8 verdeutlicht die metallische Vorläuferfixierschicht in verfestigtem Zustand und verbindet eine Schicht aus Mikrohohlkugeln mit der Oberfläche des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils, nachdem die nicht gebundenen Mikrohohlkugeln vom Bauteil wegbewegt wurden;
9 verdeutlicht die Schicht von Mikrohohlkugeln aus 8, in der die Mikrohohlkugeln miteinander und mit der Oberfläche des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils gesintert wurden, um eine Festkörperverbindung gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung zu bilden;
10 verdeutlicht eine erste metallische Vorläuferfixierschicht in verfestigtem Zustand und verbindet eine erste Schicht von Mikrohohlkugeln mit der Oberfläche des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils und, zusätzlich eine zweite metallische Vorläuferfixierschicht in verfestigtem Zustand und Verbinden einer zweiten Schicht von Mikrohohlkugeln mit der zuvor aufgebrachten ersten Schicht von Mikrohohlkugeln, wobei alle nicht gebundenen Mikrohohlkugeln vom Bauteil wegbewegt wurden;
11 verdeutlicht die Schicht von Mikrohohlkugeln aus 10, in der die Mikrohohlkugeln aneinander und an die Oberfläche des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils durch eine Festkörperverbindung gemäß einer der Ausführungsformen der Offenbarung gesintert wurden; und
12 ist ein Kupfer-Zink-Phasendiagramm mit Temperatur in Grad Celsius (°C) auf der linken y-Achse, Gewichtsprozent Zink auf der oberen x-Achse und Atomprozent Zink auf der unteren x-Achse.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Wärmedämmschichten eignen sich für eine Vielzahl von Anwendungen, wobei der Schutz des darunter liegenden Metalls vor erhöhten Temperaturen und/oder die Isolierung gegen Wärmeverlust zur äußeren Umgebung erwünscht ist. In der vorliegenden Offenbarung wird eine Wärmedämmschicht beschrieben, die eine Isolierschicht beinhaltet, die aus einer oder mehreren Schichten von Mikrohohlkugeln besteht, die aneinander und an eine Oberfläche aus einer Eisenlegierung oder einem Bauteil aus einer Nickellegierung gesintert sind. Die Mikrohohlkugeln und die Oberfläche des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils werden in dem Sinne gesintert, dass sie metallurgisch durch eine Festkörperverbindung miteinander verbunden sind, die aus der Auflösung einer metallischen Vorläuferfixierschicht resultiert, die ursprünglich jede Schicht von Mikrohohlkugeln an der Stelle verbindet. Aufgrund des relativ hohen Hohlraumvolumens der Mikrohohlkugeln im Aggregat weist die Dämmschicht eine niedrige Wärmeleitfähigkeit und eine geringe Wärmekapazität auf, welche die Wärmeübertragung durch die Isolationsschicht und damit die Wärmedämmschicht als Ganzes behindert, während die Oberflächentemperaturen der Wärmedämmschicht als Reaktion auf Veränderungen ihrer exponierten thermischen Umgebung leicht fluktuieren oder schwanken können.
Die 1-2 veranschaulichen idealisiert eine Wärmedämmschicht 10, die gemäß der vorliegenden Offenbarung eine Dämmschicht 12 beinhaltet. Unter vorläufiger Bezugnahme auf 1 wird die Wärmedämmschicht 10 als Ganzes auf der Oberfläche 14 eines Eisen- oder Nickellegierungsbauteils 16 gebildet. Die Isolierschicht 12 besteht aus einer oder mehreren Schichten 18 aus Mikrohohlkugeln 20. Jede dieser 18 Schichten weist eine Dicke 22 über ihre Länge und Breite von etwa einer einzelnen Mikrokugel auf. Diese Dicke 22 kann abhängig von der Variabilität der Größen der Mikrokugeln 20 relativ zueinander variieren oder auch nicht. Wie hier in 1 dargestellt, kann die Isolierschicht 12 eine einzelne Schicht 18 aus Mikrohohlkugeln 20 sein. Oder, in einer anderen Ausführungsform, kann die Isolierschicht 12 mehrere Schichten 18 von Mikrohohlkugeln 20 umfassen, die der Reihe nach übereinander gestapelt sind. Es können bis zu fünfzig Schichten 18 von Mikrohohlkugeln 20 übereinander gestapelt werden, um die Isolierschicht 12 zu bilden. Die Wärmedämmschicht 10 beinhaltet auch eine gasundurchlässige Dichtungsschicht 24, die über der Dämmschicht 12 aufgebracht wird.
Der Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteil 16 kann jedes beliebige Objekt einer Vielzahl von Objekten sein, die aggressiven thermischen Umgebungen ausgesetzt sind, einschließlich, aber nicht beschränkt auf einen Kolben, ein Einlass- oder Auslassventil, einen Abgaskrümmer, einen Motorblock, einen Motorkopf, eine Abgasleitung, ein Turboladergehäuse oder ein Teil einer Gasturbinen- oder Triebwerksschaufel, um nur einige spezielle Beispiele zu nennen. Im Kontext eines Automobils ist das Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteil 16 typischerweise eine Fahrzeugkomponente, in welcher die Wärmedämmschicht 10, die die Oberfläche 14 bedeckt, Verbrennungsgasprodukten ausgesetzt ist, die abhängig vom Motortyp (z. B. Benzin, Diesel usw.) und der Zusammensetzung des brennbaren Luft-/Kraftstoffgemischs (z. B. fett, mager oder stöchiometrisch) Temperaturen von bis zu 1800 °C aufweisen können. Selbstverständlich kann die Wärmedämmschicht 10 auf eine Vielzahl von Bauteilen aufgebracht werden, die für andere Anwendungen als Automobilanwendungen konzipiert sind. Einige Beispiele für gebräuchliche Eisenlegierungen und Nickellegierungen, die das Bauteil 16 bilden können, sind 430F, 304 und 303 Edelstahl, M2 und M50 Schnellarbeitsstahl, Gusseisen (wie z. B. ein Dieselkopf), Inconel (d. h. eine Familie von Nickel-Chrom-basierten Superlegierungen), Hastelloy (eine Familie von Nickel-basierten Superlegierungen) und andere Superlegierungen.
Jede der einen oder mehreren Schichten 18 von Mikrohohlkugeln 20 beinhaltet Mikrokugeln 20, die in einer Längs- und Breitenrichtung ausgestreut sind, um einen bestimmten Bereich der Oberfläche 14 des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils 16 abzudecken. Die Dicke 22 jeder Schicht 18 der Mikrohohlkugeln 20 kann abhängig vom Durchmesser der einzelnen Mikrokugeln 20, die in dieser Schicht 18 enthalten sind, zwischen 5 µm und 250 µm oder, zwischen 20 µm und 40 µm liegen, und die Gesamtdicke der Isolierschicht 12 kann dementsprechend zwischen 5 µm und 5 mm liegen. Die Mikrokugeln 20 werden sowohl aneinander als auch an die Oberfläche 14 des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils 16 über eine Festkörperverbindung 26 gesintert. Insbesondere können die Mikrohohlkugeln 20 direkt an die Oberfläche 14 des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils 16 gesintert werden, wie dies bei der Schicht 18 der Mikrokugeln 20 der Fall ist, die sich unmittelbar angrenzend an diese Oberfläche 14 befindet, oder sie können indirekt an die Oberfläche 14 durch andere Zwischenschichten 18 der gesinterten Mikrohohlkugeln 20 gesintert werden.
Die Festkörperverbindung 26, die den gesinterten Zustand der Mikrohohlkugeln 20 und des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils 16 kennzeichnet, entsteht durch die Auflösung einer metallischen Vorläuferfixierschicht in die Mikrokugeln 20 selbst sowie des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils 16. Die Vorläuferfixierschicht kann aus Kupfer, einer Kupferlegierung oder einer Nickellegierung bestehen (siehe nähere Beschreibung weiter unten). In diesem Sinne verbindet eine Legierung 28 die Mikrokugeln 20 miteinander und infiltriert in das Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteil 16 im Abstand von 30 bis zu 1 mm von der Oberfläche 14. Das Legierungssystem 28 beinhaltet Nickel und maximal 50 Gew.-% Kupfer zusammen mit anderen potenziellen Elementen, wie Zink und/oder Zinn, wenn es nur über die Mikrokugeln 20 abgeschieden wird, und kann zusätzlich Elemente aus dem Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteil 16 in dem Teil der Verbindung 26 beinhalten, der den Abstand 30 in das Bauteil 16 verlängert. Die Festkörperverbindung 26 beinhaltet somit zwei Abschnitte, die kompositorisch gleich sein können oder sich voneinander unterscheiden können, während sie noch Teil eines ununterbrochenen Legierungssystems sind.
Die gasundurchlässige Dichtungsschicht 24 ist eine hochschmelzende Dünnfilmschicht oder -schichten, die die Isolierschicht 12 gegen die Einwirkung von heißen Gasen überzieht und versiegelt. Die Dichtungsschicht 24 weist eine Dicke 32 auf, die typischerweise im Bereich von 1 µm bis 20 µm oder, schmaler, von 1 µm bis 5 µm liegt, und bildet eine Außenfläche 34 der Wärmedämmschicht 10. Die Außenfläche 34 kann glatt sein. Eine glatte Außenfläche 34 kann in einigen Fällen wünschenswert sein, um die Entstehung turbulenter Gasströmungen über der Wärmedämmschicht 10 zu verhindern und gleichzeitig dafür zu sorgen, dass der Wärmedurchgangskoeffizient der Dichtungsschicht 24 so niedrig wie möglich bleibt. Das Material der Dichtungsschicht 24 ist so gewählt, dass die Schicht 24 härtesten thermischen Bedingungen standhält, aber dennoch so belastbar ist, dass sie Bruch oder Rissbildung widersteht und der thermischen Ausdehnung/Kontraktion gegenüber der darunter liegenden Isolierschicht 12 standhält. Einige nennenswerte Beispiele für Werkstoffe, die für die Dichtungsschicht 24 geeignet sind, sind Nickel, Edelstahl, Superlegierungen auf Nickelbasis (z. B. Inconel, Hastelloy usw.), Vanadium, Molybdän und Titan. Die Dichtungsschicht 24 wird vorzugsweise mittels aller bekannten Dünnschichtabscheidetechniken, wie zum Beispiel Galvanik und physikalische oder chemische Gasphasenabscheidung, auf die Isolierschicht 12 aufgebracht.
Ein Verfahren zum Bilden der Wärmedämmschicht 10 ist in den 4-11 veranschaulicht und wird nachfolgend näher beschrieben. Das offenbarte Verfahren erfordert das Abscheiden einer oder mehrerer Schichten 36 von Mikrohohlkugeln 38 (8 und 10) auf die Oberfläche 14 eines Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils 16 unter Verwendung einer metallischen Vorläuferfixierschicht 40, um jede der Schichten 36 entweder mit der Oberfläche 14 des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils 16 (erste abgeschiedene Schicht) oder mit einer zuvor abgeschiedenen Schicht 36 von Mikrohohlkugeln 38 (jede weitere abgeschiedene Schicht) zu verbinden. Die Mikrohohlkugeln 38 beinhalten eine Außenschicht aus Nickel, einer Nickellegierung, Eisen oder einer Eisenlegierung auf. Nach dem Abscheiden werden die Schicht(en) 36 aus Mikrohohlkugeln 38 und das Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteil 16 erwärmt, um die Mikrohohlkugeln 38 aneinander und an die Oberfläche 14 des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils 16 zu sintern, um dadurch die Isolierschicht 12 zu erzeugen. Der Sinterprozess bewirkt ein Auflösen der Vorläuferfixierschicht(en) 40 in den Außenschichten der Mikrohohlkugeln 38 und des Eisen- oder Nickellegierungsbauteils 16, um die Festkörperverbindung 26 zu bilden. Nachdem die Isolierschicht 12 gebildet ist, wird gegebenenfalls die gas-undurchlässige Dichtungsschicht 24 auf die Isolierschicht 12 aufgebracht, um die Wärmedämmschicht 10 zu bilden.
Eine repräsentative Darstellung der einzelnen Mikrohohlkugeln 38, die bei dem in den 4-11 dargestellten Verfahren verwendet werden, ist in 3 dargestellt. Wie zu erkennen ist, beinhaltet die Mikrohohlkugel 38 eine Basiswand 44, die außerhalb mit einer Außenschicht 46 aus Nickel, einer Nickellegierung, Eisen oder einer Eisenlegierung beschichtet ist. In bevorzugten Ausführungsformen besteht die Außenschicht 46 aus Nickel oder Hastelloy (z. B. Hastelloy B, B2, C, C4, C276, F, G oder G2). Die Basiswand 44 besteht vorzugsweise aus Glas, einem Polymer wie zum Beispiel einem Acrylnitril-Copolymer (z. B. Styrol-Acrylnitril-Copolymer), oder eine Keramik wie Al₂O₃-SiO₂ wie sie auch im Handelsprodukt Fillite enthalten ist, das über Tolsa USA, Inc. (Reno, Nevada) erhältlich ist, sowie andere nicht ausdrücklich genannte Materialien. Die Außenschicht 46 kann durch Galvanisieren, Flammspritzen, Lackieren, stromloses Plattieren, physikalische oder chemische Gasphasenabscheidung oder eine andere geeignete Technik auf die Basiswand 44 aufgebracht werden. Die Basiswand 44 kann einen Innendurchmesser 48 im Bereich von 5 µm bis 200 µm oder schmaler, im Bereich von 20 µm bis 60 µm aufweisen und darüber hinaus eine Dicke 50 im Bereich von 0,1 µm bis 5 µm oder schmaler, im Bereich von 0,5 µm bis 2 µm aufweisen. Die Außenschicht 46 aus Nickel, einer Nickellegierung, Eisen oder einer Eisenlegierung kann eine Dicke von 52 im Bereich von 0,1 µm bis 5 µm oder weniger, im Bereich von 0,5 µm bis 2 µm aufweisen. Unter Berücksichtigung der Größe und Dicke der Basiswand 44 sowie der Dicke 52 der umgebenden Außenschicht 46 kann jede der Mikrohohlkugeln 38 einen Durchmesser 58 aufweisen, der im Bereich von 5 µm bis 210 µm liegt, oder, schmaler, im Bereich von 30 µm bis 60 µm.
Unter Bezugnahme auf 4 umfasst das Verfahren zum Bilden der Wärmedämmschicht 10 das Bereitstellen der Oberfläche 14 des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils 16, die zum Bilden der Wärmedämmschicht 10 vorbereitet ist. Die Oberfläche 14 kann breit sein und das gesamte oder im Wesentlichen das gesamte Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteil 16 abdecken oder aber es kann nur ein bestimmter Abschnitt des Bauteils 16 sein. Zusätzlich kann die Oberfläche 14 ein einfaches oder komplexes Profil aufweisen. So kann beispielsweise, wie vorstehend angegeben, die Oberfläche 14 eine beliebige Oberfläche eines Kolbens sein, der innerhalb eines Verbrennungsmotors arbeitet, eine beliebige Oberfläche eines Einlassventils oder eines Auslassventils, das zum Öffnen und Schließen der Einlass- und Auslasskanäle im Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors zyklisch arbeitet bzw. jede Oberfläche des Zylinderkopfes, wie beispielsweise der Verbrennungsdombereich, jede Oberfläche eines Abgaskrümmers, jede Oberfläche eines Motorblocks, einschließlich der Oberfläche, die einen Motorzylinder definiert, jede Oberfläche der Abgasleitung, die das von einem Verbrennungsmotor erzeugte Abgas aus dem Abgaskrümmer durch das Auspuffrohr des Fahrzeugs leitet, jede Oberfläche eines Turboladergehäuses oder jede Oberfläche einer Gasturbine oder einer Turbinenschaufel. Die gebräuchlichsten Oberflächen dieser und anderer Bauteile, die durch die Wärmedämmschicht 10 abgedeckt werden können, sind die Oberflächen, die regelmäßig heißen Verbrennungsgasprodukten ausgesetzt sind.
Eine anfängliche oder erste Schicht 36 aus Mikrohohlkugeln 38 wird auf die Oberfläche 14 des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils 16 unter Verwendung der metallischen Vorläuferfixierschicht 40 abgeschieden. Wie in 5 dargestellt, wird die metallische Vorläuferfixierschicht 40 mit einem geeigneten Verfahren auf die Oberfläche 14 des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils 16 aufgeklebt. Die metallische Vorläuferfixierschicht 40 kann (1) Kupfer, (2) einer Kupferlegierung oder (3) eine Nickellegierung sein. Die Kupferlegierung beinhaltet vorzugsweise mindestens 70 Gew.-% Kupfer und kann auch andere Legierungsbestandteile wie Zink, Zinn oder eine Kombination aus Zink und Zinn beinhalten. Die Nickellegierung beinhaltet vorzugsweise mindestens 70 Gew.-% Nickel und kann auch andere Legierungsbestandteile wie Zink, Zinn, Kupfer oder eine Kombination aus zwei oder allen drei der vorstehend genannten Legierungsbestandteile beinhalten. Jede der Kupfer- und Nickellegierungen kann andere kleinere Legierungsbestandteile beinhalten, die nicht ausdrücklich aufgeführt sind.
Die metallische Vorläuferfixierschicht 40 ist vorzugsweise Kupfer oder eine Kupfer-Zink-Legierung. Bei einer Zusammensetzung Kupfer, stellt die metallische Vorläuferfixierschicht 40 „handelsübliches reines Kupfer“ dar, wie zum Beispiel jede der unlegierten Kupferqualitäten C10100 bis C13000, die typischerweise mindestens 99,9 Gew.-% Kupfer sowie nominelle Mengen industriell akzeptierter Verunreinigungen beinhalten. Bei einer Zusammensetzung aus einer Kupfer-Zink-Legierung stellt die metallische Vorläuferfixierschicht 40 ein binäres Kupfer-Zink-Legierungssystem dar, zusammen mit nominalen Mengen industriell akzeptierter Verunreinigungen, sodass ihr Phasenverhalten durch das Phasendiagramm in 12 dargestellt wird. Diese besonderen Beispiele der metallischen Vorläuferfixierschicht 40 können auf der Oberfläche 14 des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils 16 durch Galvanisieren oder physikalische oder chemische Gasphasenabscheidung aufgeklebt werden und können eine Dicke 42 im Bereich von 0,1 µm bis 20 µm oder schmaler im Bereich von 0,5 µm bis 5 µm aufweisen, wobei sie vorzugsweise nicht größer als die-Hälfte des mittleren Durchmessers der verwendeten Mikrohohlkugeln 38 sein sollten. Die gleichen Klebetechniken und -dicken sind auch anwendbar, wenn die metallische Vorläuferschicht 40 aus einer der anderen vorstehend genannten Kupferlegierungen oder Nickellegierungen besteht.
Nachdem die metallische Vorläuferfixierschicht 40 aufgeklebt ist, wird ein Kontingent der Mikrohohlkugeln 38 gegen das Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteil 16 so angeordnet, dass die Mikrohohlkugeln 38 die Vorläuferfixierschicht 40 berühren, wie in 6 dargestellt. Die Menge der Mikrohohlkugeln 38, die gegen das Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteil 16 angeordnet sind, kann ausreichen, um ein Aggregat der Mikrohohlkugeln 38 abzuscheiden, das um ein Vielfaches dicker ist-zwei- bis tausendmal dicker-als der durchschnittliche Durchmesser der einzelnen Mikrokugeln 38, die gegen das Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteil 16 angeordnet sind. Die Oberfläche 14 des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils 16 sowie die darüber liegende metallische Vorläuferfixierschicht 40 können ein Profil aufweisen, das ausreicht, um die Mikrohohlkugeln 38 zu fixieren, wie zum Beispiel das hier in 6 dargestellte gedrückte Oberflächenprofil. Die Mikrohohlkugeln 38 können auch gegen das Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteil 16 abgestützt sein. Diese unterstützenden Maßnahmen können darin bestehen, das Bauteil 16 in einen Formhohlraum oder eine andere ähnliche Struktur einzubringen, die etwas größer ist als das Bauteil selbst 16, sodass die Mikrohohlkugeln 38 in den Raum, der das Bauteil 16 umgibt, geladen und gehalten werden können. Als weitere Option kann das Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteil 16 in ein Bad der Mikrohohlkugeln 38 zusammen mit einer Vielzahl anderer Teile im Rahmen einer Stapelverarbeitung eingetaucht werden.
Die metallische Vorläuferfixierschicht 40 wird dann auf eine Temperatur oberhalb ihrer Liquidustemperatur erwärmt, um die metallische Vorläuferfixierschicht 40 zu schmelzen, wie in 7 dargestellt. Die Liquidustemperatur der Vorläuferfixierschicht 40 ist abhängig von der Zusammensetzung der Schicht 40. In dem in 12 dargestellten Kupfer-Zink-Phasendiagramm wird beispielsweise die Liquidustemperatur durch die Referenznummer 60 dargestellt. Wie zu erkennen ist, ist die Liquidustemperatur 60 der Fixierschicht 40 gleich dem Schmelzpunkt von Kupfer oder 1085 °C, wenn die metallische Vorläuferfixierschicht 40 Kupfer ist. Und wenn die metallische Vorläuferfixierschicht 40 eine Kupfer-Zink-Legierung ist, sinkt die Liquidustemperatur 60 der Fixierschicht 40 allmählich mit zunehmendem Gewichtsprozent Zink in der Legierung. Um sicher zu sein, zeigt das Phasendiagramm in 12 an, dass eine Kupfer-Zink-Legierung, die 30 Gew.-% Zink und den Rest Kupfer beinhaltet, eine Liquidustemperatur von etwa 950 °C aufweist. Wenn sich die metallische Vorläuferfixierschicht 40 in geschmolzenem oder verflüssigtem Zustand befindet, benetzt sie eine Schicht 36 der Mikrohohlkugeln 38, die sich benachbart zur Oberfläche 14 des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils 16 befinden. Eine derartige Benetzung der Mikrohohlkugeln 38 bewirkt eine leichte Adhäsion zwischen den Mikrohohlkugeln 38 und der Oberfläche 14 des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils 16. Die Vorläuferfixierschicht 40 kann für einige Sekunden bis zu mehreren Minuten in geschmolzenem Zustand gehalten werden, um die Schicht 36 der Mikrohohlkugeln 38 ausreichend zu benetzen.
Sobald die Schicht 36 der Mikrohohlkugeln 38 ausreichend benetzt ist, wird die metallische Vorläuferfixierschicht 40 auf eine Temperatur unterhalb ihrer Solidustemperatur abgekühlt, um die metallische Vorläuferfixierschicht 40 aus ihrem früheren geschmolzenen oder verflüssigten Zustand zu verfestigen, wie in 8 dargestellt. Wie die Liquidustemperatur ist auch die Solidustemperatur der Vorläuferfixierschicht 40 abhängig von der Zusammensetzung der Schicht 40. Unter erneuter Bezugnahme auf das in 12 dargestellte Kupfer-Zink-Phasendiagramm wird die Solidustemperatur durch die Referenznummer 62 angegeben. In diesem Zusammenhang ist die Solidustemperatur 62 der Erstarrungsschicht 40 gleich der Schmelztemperatur von Kupfer oder 1085 °C und damit gleich der Liquidustemperatur, wenn die metallische Vorläuferfixierschicht 40 Kupfer ist. Und wenn die metallische Vorläuferfixierschicht 40 eine Kupfer-Zink-Legierung ist, sinkt die Solidustemperatur 62 der Fixierschicht 40 allmählich mit zunehmendem Gewichtsprozent Zink in der Legierung. Um sicher zu sein, zeigt das Phasendiagramm in 12 an, dass eine Kupfer-Zink-Legierung, die 30 Gew.-% Zink und den Rest Kupfer beinhaltet, eine Liquidustemperatur von etwa 920 °C aufweist. Wenn die metallische Vorläuferfixierschicht 40 aus ihrem geschmolzenen oder verflüssigten Zustand in einen erstarrten Zustand abgekühlt wird, verbindet sie die Schicht 36 aus Mikrohohlkugeln 38 mit der Oberfläche 14 des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils 16. Der Rest des Kontingents von Mikrohohlkugeln 38, die sich auf der Oberseite der gebundenen Schicht 36 von Mikrohohlkugeln 38 befinden, sind folglich nicht mit dem Bauteil 16 durch die metallische Vorläuferfixierschicht 40 verbunden.
Die zusätzlichen, nicht gebundenen Mikrohohlkugeln 38 werden nach dem Erstarren der metallischen Vorläuferfixierschicht 40 vom Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteil 16 wegbewegt. Die nicht gebundenen Mikrohohlkugeln 38 können von der Oberfläche 14 abtransportiert werden, indem das Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteil 16 geschüttelt wird, wobei das Bauteil 16 aus einem Formhohlraum oder Bad, das das Kontingent der Mikrohohlkugeln 38 gegen das Bauteil 16 abstützt, entfernt wird, oder jede andere geeignete Technik zum Trennen der nicht gebundenen Mikrohohlkugeln 38 vom Bauteil 16. Das Verschieben der nichtverbundenen Mikrohohlkugeln 38 weg vom Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteil 16 hinterlässt die Schicht 36 der Mikrohohlkugeln 38, die mit der Oberfläche 14 des Bauteils 16 verbunden ist. Diese verbleibende Verbundschicht 36 ist in 8 dargestellt. Und, ähnlich zur Schicht 18 der Mikrohohlkugeln 20, die sie letztendlich wird, weist die gebundene Schicht 36 der Mikrohohlkugeln 38 eine Dicke 64 über ihre Länge und Breite auf, die ungefähr einer einzelnen Mikrokugel 38 entspricht, obwohl diese Dicke 64 je nach Variabilität in den Größen der Mikrokugeln 38 variieren kann; das heißt, die Dicke 64 der gebundenen Schicht 36 an irgendeinem Punkt ist ungefähr gleich dem Durchmesser 58 der Mikrohohlkugel 38 an dieser Stelle.
Das Schmelzen und Verfestigen der metallischen Vorläuferfixierschicht 40 in Anwesenheit des Kontingents von Mikrohohlkugeln 38 dient somit dazu, die Schicht 36 von Mikrohohlkugeln 38 auf die Oberfläche 14 des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils 16 aufzubringen. Nach dem Abscheiden der Schicht 36 aus Mikrohohlkugeln 38 werden das Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteil 16 und die Schicht 36 aus Mikrohohlkugeln 38 erwärmt, um die Mikrohohlkugeln 38 aneinander und an die Oberfläche 14 des Bauteils 16 zu sintern, wie in 9 dargestellt. Dies kann das Erwärmen der Schicht 36 der Mikrohohlkugeln 38 und des Bauteils 16 auf eine Temperatur unterhalb der Solidustemperatur der metallischen Vorläuferfixierschicht 40 (jetzt erstarrt) für mindestens eine Zeitspanne einschließen, bis die metallische Vorläuferfixierschicht 40 in die Außenschichten 46 der Mikrohohlkugeln 38 und des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils 16 mittels Festkörperteilchendiffusion integriert und aufgelöst wird. Wenn beispielsweise die metallische Vorläuferfixierschicht 40 aus Kupfer besteht, werden die Schicht 36 der Mikrohohlkugeln 38 und das Bauteil 16 vorzugsweise innerhalb des Temperaturbereichs von 800 °C bis 1085 °C für einen Zeitraum von 30 Minuten bis 24 Stunden erwärmt. Nach der vollständigen Auflösung des Kupfers ist es nicht mehr erforderlich, die Temperatur, die mit diesem speziellen Erwärmungsprozess verbunden ist, unter die Solidustemperatur 62 der metallischen Vorläuferfixierschicht 40 zu halten.
Das Sintern, das aus der Auflösung der Vorläuferfixierschicht 40 in die Außenschicht 46 der Mikrohohlkugeln 38 und dem Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteil 16 entsteht, verschmilzt diese Elemente miteinander und bildet die in 1 dargestellte und vorstehend erläuterte Festkörperverbindung 26. Es existieren mehrere Möglichkeiten, eine derartige Sinterung zu realisieren. So kann beispielsweise in einer Ausführungsform die Schicht 36 der Mikrohohlkugeln 38 und des Bauteils 16 in einem Ofen oder Brennofen erwärmt werden, ohne dass andere Materialien vorhanden sind. Alternativ kann in einer anderen Ausführungsform eine Schicht aus Keramikpartikeln über der Schicht 36 der Mikrohohlkugeln 38 angeordnet werden, um die Schicht 36 gegen das Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteil 16 abzustützen. Neben keramischen Partikeln können auch andere Trägermaterialien über der Schicht 36 der Mikrohohlkugeln 38 angeordnet werden, sofern das gewählte Trägermaterial den erforderlichen Sintertemperaturen standhalten kann, ohne mit den Mikrohohlkugeln 38 zu reagieren oder anderweitig die Auflösung der Vorläuferfixierschicht 40 in die Außenschicht 46 der Mikrohohlkugeln 38 zu stören.
Die vorstehende Erläuterung bezüglich der 4-9 konzentriert sich auf das Abscheiden einer einzelnen Schicht 36 von Mikrohohlkugeln 38 auf die Oberfläche 14 des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils 16 und das anschließende Sintern dieser Schicht 36, um die Isolierschicht 12 mit einer einzelnen Schicht 18 von Mikrohohlkugeln 20 zu versehen, die durch die Festkörperverbindung 26 miteinander verschmolzen sind, wie in 1 dargestellt. Eine Variation dieser Methodik kann leicht implementiert werden, um die Isolierschicht 12 mit mehreren übereinander liegenden Schichten 18 von Mikrohohlkugeln 20 zu versehen, die durch die Festkörperverbindung 26 miteinander verschmolzen sind, wie in 2 dargestellt. Um sicher zu sein, wie im Folgenden kurz erläutert, können die in den 5-8 dargestellten Prozessschritte wiederholt werden, nachdem die erste Schicht 36 der Mikrohohlkugeln 38 auf die Oberfläche 14 des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils 16 aufgebracht wurde, jedoch vor dem Sintern, um eine entsprechende Anzahl zusätzlicher Schichten 36 der Mikrohohlkugeln 38 auf die erste Schicht 36 aufzubringen. Nachdem dann alle zusätzlichen Schichten 36 der Mikrohohlkugeln 38 abgeschieden wurden, wird die Gruppe der Schichten 36 erwärmt und mit dem in 9 dargestellten Prozessschritt zum Herstellen der Isolierschicht 12 durch Sintern zusammengefügt.
Ein Beispiel zum Bilden einer Isolierschicht 12 mit mehreren übereinander liegenden Schichten 18 von Mikrohohlkugeln 20 ist in den 10-11 dargestellt. Zunächst, wie vorstehend in Bezug auf die 4-9 beschrieben, wird eine erste Schicht 36 aus Mikrohohlkugeln 38 auf die Oberfläche 14 des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils 16 aufgebracht. Diese erste Schicht wird in 10 spezifischer durch die Referenznummer 36' identifiziert. Anschließend wird, wie in 10 dargestellt, eine zweite Schicht 36" Mikrohohlkugeln 38 auf die erste Schicht 36' aus Mikrohohlkugeln 38 in gleicher Weise wie vorstehend beschrieben aufgebracht. Das Abscheiden der zweiten Schicht 36" beinhaltet insbesondere das Aufkleben einer zweiten metallischen Vorläuferfixierschicht 40 auf die erste Schicht 36' von Mikrohohlkugeln 38, das Auffinden eines Kontingents von Mikrohohlkugeln 38 gegen das Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteil 16, sodass die Mikrohohlkugeln 38 mit der zweiten metallischen Vorläuferfixierschicht 40 in Kontakt kommen, die die erste Schicht 36' überlagert, erwärmen und abkühlen der zweiten metallischen Vorläuferfixierschicht 40, um die Fixierschicht 40 jeweils zu schmelzen und zu verfestigen, um dadurch die zweite Schicht 36" von Mikrohohlkugeln 38 mit der ersten Schicht 36' von Mikrohohlkugeln 38 zu verbinden, und letztendlich das Verschieben der nicht gebundenen Mikrohohlkugeln 38 weg vom Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteil 16. Diese Prozessschritte können beliebig oft wiederholt werden, um nacheinander weitere Schichten 36 Mikrohohlkugeln 38 auf die zweite Schicht 36" aufzubringen und zu stapeln, bis die gewünschte Anzahl an Schichten 36 Mikrohohlkugeln 38 erreicht ist.
Die mehreren Schichten 36 von Mikrohohlkugeln 38 und das Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteil 16 werden dann wie vorstehend beschrieben erwärmt, um die Mikrohohlkugeln 38 in den verschiedenen Schichten 36 aufeinander und auf das Bauteil 16 zu sintern, sodass diese Einheiten miteinander verschmelzen und die Festkörperverbindung 26 bilden, wie in 11 dargestellt. Das heißt, dass die mehreren Schichten 36 von Mikrohohlkugeln 38 und das Bauteil 16 mindestens solange auf eine Temperatur unterhalb der Solidustemperatur der Vorläuferfixierschichten 40 erwärmt werden können, bis die Vorläuferfixierschichten 40 in die Außenschicht 46 von Mikrohohlkugeln 38 und das Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteil 16 mittels Festkörperteilchendiffusion integriert und aufgelöst werden. Und wie schon zuvor gibt es mehrere Möglichkeiten, um das Sintern zu bewirken, einschließlich der Erwärmung der Schichten 36 der Mikrokugeln 38 und des Bauteils 16 in einem Ofen oder Brennofen, mit oder ohne eine Schicht keramischer Partikel oder eines anderen geeigneten Materials über die Schichten 36 der Mikrohohlkugeln 38 als Stützmechanismus abzuscheiden.
Unabhängig davon, ob die Isolierschicht 12 eine einzelne Schicht 18 aus Mikrohohlkugeln 20 oder mehrere Schichten 18 aus Mikrohohlkugeln 20 beinhaltet, wird die gas-undurchlässige Dichtungsschicht 24 auf die Isolierschicht 12 aufgebracht, um so das Bilden der Wärmedämmschicht 10 auf dem Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteil 16 abzuschließen. Die Dichtungsschicht 24, wie vorstehend erläutert, ist typischerweise 1 µm bis 20 µm dick und besteht vorzugsweise aus Nickel, Edelstahl, einer Superlegierung auf Nickelbasis (z. B. Inconel, Hastelloy usw.), Vanadium, Molybdän oder Titan. Derartige Materialien können auf die Isolierschicht 12 durch eine Vielzahl von Dünnschichtabscheidetechniken aufgebracht werden, einschließlich Galvanik und physikalischer oder chemischer Gasphasenabscheidung. Die Dichtungsschicht 24 kann auch als Dünnschicht getrennt von der Isolierschicht 12 abgeschieden und anschließend auf die Isolierschicht 12 aufgebracht und zum Fixieren erwärmt werden. Weiterhin kann die Dichtungsschicht 24 separat dünnschichtig abgeschieden und vor dem Sintern auf die eine oder mehrere Schichten 36 von Mikrohohlkugeln 38 aufgebracht werden. Auf diese Weise dient das Erwärmen der einen oder mehreren Schichten 36 von Mikrohohlkugeln 38 und des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils 16 zum Sintern dieser Einheiten zusammen auch dazu, die Dichtungsschicht zu erwärmen und an der darunter liegenden Isolierschicht 12 zu befestigen. Die gasundurchlässige Dichtungsschicht 24 kann eine einzelne, dünnschichtig abgeschiedene Schicht sein oder eine Kombination mehrerer dünnschichtig abgeschiedener Schichten gleicher oder unterschiedlicher Zusammensetzung.
Die obige Beschreibung der bevorzugten exemplarischen Ausführungsformen und spezielle Beispiele besitzen lediglich einen beschreibenden Charakter; sie sollen nicht den Umfang der folgenden Ansprüche begrenzen. Jeder der in den beigefügten Patentansprüchen verwendeten Begriffe sollte in seiner gewöhnlichen und allgemeinen Bedeutung verstanden werden, soweit nicht ausdrücklich und eindeutig in der Spezifikation anders angegeben.

Claims

Verfahren zum Bilden einer Wärmedämmschicht (10) auf einem Metallbauteil (16), das Verfahren umfassend: das Aufkleben einer metallischen Vorläuferfixierschicht (40) auf eine Oberfläche (14) eines Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils (16), wobei die metallische Vorläuferfixierschicht (40) Kupfer, eine Kupferlegierung oder eine Nickellegierung ist; das Anordnen von Mikrohohlkugeln (38) gegen das Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteil (16), so dass die Mikrohohlkugeln (38) mit der metallischen Vorläuferfixierschicht (40) in Kontakt kommen, wobei die Mikrohohlkugeln (38) eine äußere Schicht aus Nickel, einer Nickellegierung, Eisen oder einer Eisenlegierung aufweisen; das Erwärmen der metallischen Vorläuferfixierschicht (40) auf eine Temperatur oberhalb der Liquidustemperatur der metallischen Vorläuferfixierschicht (40), um die metallische Vorläuferfixierschicht (40) zu schmelzen und eine Schicht (36) aus Mikrohohlkugeln (38) zu benetzen, die sich benachbart zur Oberfläche (14) des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils (16) befindet; das Abkühlen der metallischen Vorläuferfixierschicht (40) auf eine Temperatur unterhalb der Solidustemperatur der metallischen Vorläuferfixierschicht (40), um die metallische Vorläuferfixierschicht (40) zu verfestigen und die Schicht (36) aus Mikrohohlkugeln (38) mit der Oberfläche (14) des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils (16) zu verbinden; das Bewegen der Mikrohohlkugeln (38), die nicht durch die metallische Vorläuferfixierschicht (40) gebunden sind, weg vom Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteil (16); und das Erwärmen des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils (16) und der Schicht (36) aus Mikrohohlkugeln (38), die an die Oberfläche (14) des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils (16) gebunden sind, um die Mikrohohlkugeln (38) aneinander und an die Oberfläche (14) des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils (16) so zu sintern, dass eine Festkörperverbindung zwischen der Schicht (36) aus Mikrohohlkugeln (38) und des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils (16) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Verfahren vor dem Erwärmen des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils (16) und der Schicht (36) aus Mikrohohlkugeln (38) zum Sintern der Mikrohohlkugeln (38) aneinander und an die Oberfläche (14) des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils (16) ferner umfasst: (a) das Aufkleben einer zweiten metallischen Vorläuferfixierschicht (40) auf die Schicht (36) aus Mikrohohlkugeln (38), die an die Oberfläche (14) des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils (16) gebunden sind, wobei die zweite metallische Vorläuferfixierschicht (40) Kupfer, eine Kupferlegierung oder eine Nickellegierung ist; (b) das Anordnen von hohlen Mikrokügelchen gegen das Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteil (16), so dass die Mikrohohlkugeln (38) die zweite metallische Vorläuferfixierschicht (40) kontaktieren, die über der Schicht (36) aus Mikrohohlkugeln (38) liegt, die mit der Oberfläche (14) des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils (16) verbunden ist, wobei die Mikrohohlkugeln (38) eine äußere Schicht aus Nickel, einer Nickellegierung, Eisen oder einer Eisenlegierung aufweisen; (c) das Erwärmen der zweiten metallischen Vorläuferfixierschicht (40) auf eine Temperatur oberhalb der Liquidustemperatur der zweiten metallischen Vorläuferfixierschicht (40), um die zweite metallische Vorläuferfixierschicht (40) zu schmelzen, und Benetzen einer zweiten Schicht (36) aus Mikrohohlkugeln (38), die benachbart zu der Schicht (36) aus Mikrohohlkugeln (38) angeordnet sind, die an die Oberfläche (14) des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils (16) gebunden sind; (d) das Abkühlen der zweiten metallischen Vorläuferfixierschicht (40) auf eine Temperatur unterhalb der Solidustemperatur der zweiten metallischen Vorläuferfixierschicht (40), um die zweite metallische Vorläuferfixierschicht (40) zu verfestigen und die zweite Schicht (36) aus Mikrohohlkugeln (38) mit der Schicht (36) aus Mikrohohlkugeln (38) zu verbinden, die an die Oberfläche (14) des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils (16) gebunden ist; und (e) das Bewegen der Mikrohohlkugeln (38), die nicht durch die zweite metallische Vorläuferfixierschicht (40) gebunden sind, weg vom Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteil (16).
Verfahren nach Anspruch 2, des Weiteren umfassend: das Wiederholen der Schritte (a) bis (e), um nacheinander zusätzliche Schichten (36) von Mikrohohlkugeln (38) auf die zweite Schicht (36) von Mikrohohlkugeln (38) aufzubringen.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die metallische Vorläuferfixierschicht (40) Kupfer ist, und worin das Erwärmen der metallischen Vorläuferfixierschicht (40) auf über die Liquidustemperatur das Erwärmen der metallischen Vorläuferfixierschicht (40) auf über 1085 °C umfasst, worin das Abkühlen der metallischen Vorläuferfixierschicht (40) unter die Solidustemperatur das Abkühlen der metallischen Vorläuferfixierschicht (40) auf unter 1085 °C umfasst, und worin das Erwärmen des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils (16) und der Schicht (36) aus Mikrohohlkugeln (38) zum Sintern der Mikrohohlkugeln (38) aneinander und an die Oberfläche (14) des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils (16) das Erwärmen der Schicht (36) aus Mikrohohlkugeln (38) und des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils (16) auf eine Temperatur im Bereich von 800 °C und 1085 °C umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteil (16) ein Motorkolben, ein Einlassventil, ein Auslassventil, ein Motorblock, ein Motorkopf, ein Abgasrohr oder ein Turboladergehäuse ist.
Verfahren zum Bilden einer Wärmedämmschicht (10) auf einem Metallbauteil (16), das Verfahren umfassend: das Abscheiden einer oder mehrerer Schichten (36) von Mikrohohlkugeln (38) auf eine Oberfläche (14) eines Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils (16), wobei die Mikrohohlkugeln (38) jeder der einen oder mehreren Schichten (36) eine äußere Schicht aus Nickel, einer Nickellegierung, Eisen oder einer Eisenlegierung aufweisen, und wobei jede der einen oder mehreren Schichten (36) von Mikrohohlkugeln (38) entweder an die Oberfläche (14) des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils (16) oder an eine zuvor abgeschiedene Schicht (36) aus Mikrohohlkugeln (38) gebunden ist; das Erwärmen der einen oder mehreren Schichten (36) von Mikrohohlkugeln (38) und des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils (16) zum Sintern der Mikrohohlkugeln (38) aneinander und an die Oberfläche (14) des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils (16), um dadurch eine Isolierschicht (12) zu erzeugen; und das Aufbringen einer gasundurchlässigen Dichtungsschicht auf die Isolierschicht (12), um eine Wärmedämmschicht (10) auf der Oberfläche (14) des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils (16) zu bilden, worin das Abscheiden einer ersten Schicht (36) von Mikrohohlkugeln (38) auf die Oberfläche (14) des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils (16) umfasst: das Aufkleben einer metallischen Vorläuferfixierschicht (40) auf die Oberfläche (14) des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils (16); das Platzieren von Mikrohohlkugeln (38) in Kontakt mit der metallischen Vorläuferfixierschicht (40); das Erwärmen der metallischen Vorläuferfixierschicht (40) auf eine Temperatur oberhalb der Liquidustemperatur der metallischen Vorläuferfixierschicht (40), um die metallische Vorläuferfixierschicht (40) zu schmelzen und eine Schicht (36) aus Mikrohohlkugeln (38) zu benetzen; das Abkühlen der Vorläuferfixierschicht (40) auf eine Temperatur unterhalb der Solidustemperatur der Vorläuferfixierschicht (40), um die Vorläuferfixierschicht (40) zu verfestigen und die Schicht (36) aus Mikrohohlkugeln (38) mit der Oberfläche (14) des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils (16) zu verbinden; und das Bewegen der Mikrohohlkugeln (38), die nicht durch die metallische Vorläuferfixierschicht (40) gebunden sind, weg vom Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteil (16), worin die metallische Vorläuferfixierschicht (40), die jede Schicht (36) von Mikrohohlkugeln (38) entweder an die Oberfläche (14) des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils (16) oder an eine zuvor aufgebrachte Schicht (36) von Mikrohohlkugeln (38) bindet, aus Kupfer besteht, und worin das Erwärmen des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils (16) und der einen oder mehreren Schichten (36) von Mikrohohlkugeln (38) zum Sintern der Mikrohohlkugeln (38) aneinander und an die Oberfläche (14) des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils (16) umfasst: Erwärmen des Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteils (16) und der einen oder mehreren Schichten (36) von Mikrohohlkugeln (38) auf eine Temperatur im Bereich von 800 °C bis 1085 °C.
Verfahren nach Anspruch 6, worin das Abscheiden jeder zusätzlichen Schicht (36) von Mikrohohlkugeln (38) umfasst: das Aufkleben einer weiteren metallischen Vorläuferfixierschicht (40) auf eine zuvor abgeschiedene Schicht (36) aus Mikrohohlkugeln (38); das Platzieren von Mikrohohlkugeln (38) in Kontakt mit der anderen metallischen Vorläuferfixierschicht (40); das Erwärmen der anderen metallischen Vorläuferfixierschicht (40) auf eine Temperatur oberhalb der Liquidustemperatur der anderen metallischen Vorläuferfixierschicht (40), um die andere metallische Vorläuferfixierschicht (40) zu schmelzen und eine weitere Schicht (36) von Mikrohohlkugeln (38) zu benetzen, die benachbart zu der zuvor abgeschiedenen Schicht (36) von Mikrohohlkugeln (38) angeordnet ist; das Abkühlen der anderen metallischen Vorläuferfixierschicht (40) auf eine Temperatur unterhalb der Solidustemperatur der anderen metallischen Vorläuferfixierschicht (40), um die andere metallische Vorläuferfixierschicht (40) zu verfestigen und die andere Schicht (36) von Mikrohohlkugeln (38) mit der zuvor abgeschiedenen Schicht (36) von Mikrohohlkugeln (38) zu verbinden; und das Bewegen der Mikrohohlkugeln (38), die nicht durch die andere metallische Vorläuferfixierschicht (40) gebunden sind, weg vom Eisenlegierungs- oder Nickellegierungsbauteil (16).
Verfahren nach Anspruch 6, worin die Mikrohohlkugeln (38) in jeder der einen oder mehreren Schichten (36) von Mikrohohlkugeln (38) (1) Glasbasiswände, die außen mit einer Schicht aus Nickel, einer Nickellegierung, Eisen oder einer Eisenlegierung beschichtet sind, (2) polymere Basiswände, die außen mit einer Schicht aus Nickel, einer Nickellegierung, Eisen oder einer Eisenlegierung beschichtet sind, oder (3) keramische Basiswände, die außen mit einer Schicht aus Nickel, einer Nickellegierung, Eisen oder einer Eisenlegierung beschichtet sind, umfassen.