DE102017213839A1

DE102017213839A1 - Wärmebarrierenbeschichtung aus keramischen mikrokügelchen

Info

Publication number: DE102017213839A1
Application number: DE102017213839.4A
Authority: DE
Inventors: Russell P. Durrett; Paul M. Najt; Peter P. Andruskiewicz IV; Gary P. Hill; Tobias A. Schaedler
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2016-08-08
Filing date: 2017-08-08
Publication date: 2018-02-08
Also published as: US10040723B2; CN107699889A; US20180037510A1

Abstract

Eine Wärmeschutzbeschichtung für eine Komponente beinhaltet eine Isolierschicht, die auf einer Oberfläche eines Substrats aufgebracht ist. Die Isolierschicht umfasst mehrere keramische Mikrohohlkugeln. Eine Dichtungsschicht ist mit der Isolierschicht verbunden. Die Dichtungsschicht ist nicht durchlässig, sodass die Dichtungsschicht gegen die Isolierschicht abdichtet. Ein Verfahren zum Aufbringen einer Wärmeschutzbeschichtung auf eine Oberfläche eines Substrats einer Komponente beinhaltet das Bereitstellen von mehreren keramischen Mikrohohlkugeln und das Aufbringen der mehreren keramischen Mikrohohlkugeln auf die Oberfläche des Substrats. Mindestens eine Wärmebehandlung wird auf die mehreren keramischen Mikrohohlkugeln auf der Oberfläche der Komponente angewendet, um eine Isolierschicht auf der Oberfläche des Substrats zu erzeugen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Wärmeschutzbeschichtung für einen Verbrennungsmotor.
HINTERGRUND
Einige Fahrzeuge beinhalten eine Motoranordnung für den Antrieb. Die Motoranordnung kann einen Verbrennungsmotor und ein Kraftstoffeinspritzsystem beinhalten. Der Verbrennungsmotor beinhaltet einen oder mehrere Zylinder. Jeder Zylinder definiert eine Brennkammer. Während des Betriebs verbrennt der Verbrennungsmotor ein Luft-Kraftstoff-Gemisch in der Brennkammer, um einen im Zylinder angeordneten Kolben zu bewegen.
Die Aufrechterhaltung von Temperaturumgebungen in Motoranordnungen kann aufgrund der Konfiguration der Motoranordnung und der Funktionen verschiedener Komponenten begrenzt sein. Ungleichmäßige Temperaturverteilungen können sich auf die Effizienz von Komponenten auswirken. Bei Verbrennungsmotoren isolieren Beschichtungen das heiße Verbrennungsgas aus dem kalten, wassergekühlten Motorblock, um Energieverlust durch Wärmeübertragung vom Verbrennungsgas zum Kühlwasser zu vermeiden. Weiterhin sollten sich während des Ansaugtaktes die Beschichtungen schnell abkühlen, um das Kraftstoff-Luft-Gemisch vor der Zündung nicht zu erhitzen.
ZUSAMMENFASSUNG
Eine Wärmeschutzbeschichtung umfasst eine Isolierschicht, die auf einer Oberfläche eines Substrats aufgebracht ist. Die Isolierschicht umfasst mehrere keramische Mikrohohlkugeln. Eine Dichtungsschicht ist mit der Isolierschicht verbunden. Die Dichtungsschicht ist nicht durchlässig, sodass die Dichtungsschicht gegen die Isolierschicht abdichtet.
Die Isolierschicht der Wärmeschutzbeschichtung kann eine Porosität von mindestens etwa 75% und eine Dicke zwischen etwa 50 Mikrometer und etwa 1 Millimeter aufweisen. Die Isolierschicht kann ferner ein Matrixmaterial umfassen, das so konfiguriert ist, um mit den mehreren Mikrohohlkugeln verbunden zu sein.
Das Matrixmaterial umfasst ferner Bortrioxid, Aluminiumoxid, Aluminiumsilikat, Siliciumdioxid oder Silikatglas oder Mischungen davon, die zusammen mit den Kugeln und Teilchen bestehend aus der Gruppe ausgewählt aus Metallen, Metalllegierungen und Metallnitraten, wie Aluminium, Aluminiumlegierung oder Aluminiumnitrat, verschmelzen, die während der Wärmebehandlung der Isolierschicht zum Metalloxid oxidieren oder ein präkeramisches Polymer, bestehend aus der Gruppe ausgewählt aus Siloxanen, Silanen, Carbosilanen, Silazanen und Borosilanen, die bei der Wärmebehandlung der Isolierschicht in eine Keramik umgewandelt werden.
Die Dichtungsschicht kann ein oder mehrere Elemente umfassen, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Aluminiumoxid, Aluminiumsilikat, Siliziumoxid, Silikatglas oder Gemischen davon, Hochtemperaturmetallen und Metalllegierungen, einschließlich Nickel, Kobalt, Eisen, Chrom, feuerfesten Metallen und entsprechenden Legierungen. Alternativ kann die Dichtungsschicht aus einem präkeramischen Polymer gebildet sein, das ein oder mehrere Elemente umfasst, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Siloxanen, Silanen, Carbosilanen, Silazanen und Borosilanen, worin das präkeramische Polymer bei einer Wärmebehandlung der Isolierschicht in eine Keramik umgewandelt wird.
Die mehreren keramischen Mikrohohlkugeln umfassen ferner etwa 0 Gew.-% bis etwa 100 Gew.-% Siliziumoxid und etwa 0 Gew.-% bis etwa 100 Gew.-% Aluminiumoxid. Die mehreren keramischen Mikrohohlkugeln umfassen alternativ ferner etwa 50 Gew.-% bis etwa 70 Gew.-% Siliziumoxid und etwa 30 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-% Aluminiumoxid. Die Dichtungsschicht weist eine Dicke zwischen etwa 1 Mikrometer und etwa 20 Mikrometer auf.
In einer weiteren Ausführungsform der Offenbarung beinhaltet ein Verfahren zum Aufbringen einer Wärmeschutzbeschichtung auf eine Oberfläche eines Substrats einer Komponente das Bereitstellen von mehreren keramischen Mikrohohlkugeln. Die mehreren keramischen Mikrohohlkugeln können so sortiert werden, dass keramische Mikrohohlkugeln für die Verwendung ausgewählt werden. Die Teilchen einer Matrix können zu den ausgewählten Mikrohohlkugeln zugesetzt werden. Die Teilchen können mehrere Mischungen beinhalten und mit einem Gewichtsanteil von etwa 5 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-% der Mikrohohlkugeln zugesetzt werden. Es wird mindestens eine Wärmebehandlung auf die mehreren keramischen Mikrohohlkugeln und die Matrix auf der Oberfläche der Komponente angewendet. In einer Ausführungsform umfasst der Schritt des Bereitstellens der mehreren keramischen Mikrohohlkugeln ferner das Sortieren und Auswählen von keramischen Mikrohohlkugeln mit einem Durchmesser von etwa 10 Mikrometer bis etwa 50 Mikrometer. Die vorstehend genannten Funktionen und Vorteile sowie andere Funktionen und Vorteile der vorliegenden Offenbarung gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der bestmöglichen praktischen Umsetzung der dargestellten Offenbarung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen hervor.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische, diagrammatische Ansicht eines Fahrzeugs, die eine Seitenansicht eines Einzylinder-Verbrennungsmotors mit einer Wärmeschutzbeschichtung, die auf mehrere Komponenten aufgebracht ist, veranschaulicht;
2 ist eine schematische Querschnitt-Seitenansicht der Wärmeschutzbeschichtung, die auf der Komponente aufgebracht ist;
3A–3B sind schematische Querschnitt-Seitenansichten der gebundenen Mikrohohlkugeln der Wärmeschutzbeschichtung, wie sie an einem Substrat der Komponente, angebracht sind; und
4A–4B sind schematische Querschnitt-Seitenansichten der Wärmeschutzbeschichtung mit einer Dichtungsschicht, die auf der Komponente aufgebracht ist, um die Wärmeschutzbeschichtung zu veranschaulichen, die auf das Substrat aufgebracht ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Nachfolgend werden mehrere Ausführungsformen der Offenbarung ausführlich beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. Wenn möglich, werden die gleichen oder ähnliche Verweisziffern in den Zeichnungen und der Beschreibung für gleiche oder ähnliche Teile oder Schritte verwendet. Die Zeichnungen sind vereinfacht und nicht im exakten Maßstab dargestellt. Zur besseren Übersichtlichkeit und Verständlichkeit werden Richtungsbezeichnungen wie oben, unten, links, rechts, nach oben, über, unter, unterhalb, hinten und vorn mit Bezug auf die Zeichnungen verwendet. Diese und ähnliche richtungsweisende Begriffe sind in keiner Weise zur Begrenzung des Umfangs der Offenbarung auszulegen.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen gleichen oder ähnlichen Komponenten in den verschiedenen Figuren entsprechen, wird in 1 schematisch ein Fahrzeug 10 mit einem Antriebssystem 12 gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der Offenbarung dargestellt. Das Antriebssystem 12 kann ein Verbrennungsmotor, Brennstoffzellen, Motoren und dergleichen sein. Das Antriebssystem 12 kann Teil eines Fahrzeugs 10 sein, das ein motorisiertes Fahrzeug beinhalten kann, wie etwa, jedoch nicht beschränkt auf, normale Personenkraftwagen, Geländewagen, Leicht-LKWs, schwere Nutzfahrzeuge, Kleinbusse, Busse, Transitfahrzeuge, Fahrräder, Roboter, landwirtschaftliche Fahrzeuge, Sport-bezogene Ausrüstung oder jede beliebige andere Transportvorrichtung. Zum besseren Verständnis wird das Antriebssystem 12 nachfolgend als Verbrennungsmotor oder Motor 12 bezeichnet.
Der Motor 12 von Fahrzeug 10 kann eine oder mehrere Komponenten 14 beinhalten. Die Komponente 14 weist eine Wärmeschutzbeschichtung (TBC – Thermal Barrier Coating) 16 der hierin offenbarten Art auf, die daran aufgebracht ist. In einer Ausführungsform der Offenbarung kann die TBC 16 ein Verbundmaterial oder eine Mehrschichtstruktur oder Konfiguration beinhalten. Obwohl das Fahrzeug 10 und der Motor 12 von 1 eine typische exemplarische Anwendung ist, die geeignet für die hierin offenbarte TBC 16 ist, ist die vorliegende Konstruktion nicht auf Fahrzeug- und/oder Motoranwendungen beschränkt.
Jede stationäre oder mobile Maschine oder Fertigung, bei der eine Komponente davon Wärme ausgesetzt ist, kann von der Verwendung der vorliegenden Konstruktion profitieren. Zwecks Konsistenz bei der Veranschaulichung wird das Fahrzeug 10 und Motor 12 nachfolgend als ein exemplarisches System beschrieben, ohne die Verwendung der TBC 16 auf eine solche Ausführungsform zu beschränken.
1 zeigt einen Motor 12, der einen einzelnen Zylinder 18 definiert. Fachleute auf dem Gebiet werden jedoch erkennen, dass die vorliegende Offenbarung auch auf Komponenten 14 von Motoren 12 mit mehreren Zylindern 26 angewendet werden kann. Jeder Zylinder 18 definiert eine Brennkammer 22. Der Motor 12 ist so konfiguriert, um Energie für den Antrieb des Fahrzeugs 10 vorzusehen. Der Motor 12 kann einen Dieselmotor umfassen, ist jedoch nicht darauf beschränkt. Der Motor 12 beinhaltet ferner eine Einlassanordnung 28 und einen Auslasskrümmer 30, die jeweils in Fluidverbindung mit der Brennkammer 22 stehen. Der Motor 12 beinhaltet einen Hubkolben 20, der innerhalb des Zylinders 18 verschiebbar beweglich ist.
Die Brennkammer 22 ist zum Verbrennen eines Luft-Kraftstoff-Gemischs konfiguriert, um Energie für den Antrieb des Fahrzeugs 10 vorzusehen. Luft kann in die Brennkammer 22 des Motors 12 eintreten, indem sie durch die Einlassanordnung 28 läuft, wo der Luftstrom vom Ansaugkrümmer in die Brennkammer 22 durch mindestens ein Einlassventil 24 gesteuert wird. Kraftstoff wird in die Brennkammer 22 eingespritzt, um sich mit der Luft zu vermischen oder wird durch das/die Einlassventil(e) 32 eingeleitet, das ein Luft-Kraftstoff-Gemisch vorsieht. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch wird innerhalb der Brennkammer 22 gezündet. Die Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemischs erzeugt Abgas, das aus der Brennkammer 22 austritt und in den Abgaskrümmer 30 gezogen wird. Insbesondere wird der Luftstrom (Abgasstrom) aus der Brennkammer 22 durch mindestens ein Auslassventil 26 gesteuert.
Unter Bezugnahme auf die 1 und 2 kann die TBC 16 auf einer Fläche oder Oberfläche einer oder mehrerer der Komponenten 14 des Motors 12 angeordnet sein, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf den Kolben 20, das Einlassventil 24, das Auslassventil 26, Innenwände des Auslassverteilers 30 und dergleichen. In einer Ausführungsform der Offenbarung kann die TBC 16 auf Hochtemperaturabschnitte oder Komponenten des Motors 12 aufgebracht und mit der Komponente 14 verbunden werden, um einen Isolator zu bilden, der so konfiguriert ist, um Wärmeübertragungsverluste zu verringern, den Wirkungsgrad zu erhöhen und die Abgastemperatur während des Betriebs des Motors 12 zu erhöhen.
Die TBC 16 ist so konfiguriert, um eine niedrige Wärmeleitfähigkeit und eine niedrige Wärmekapazität zu liefern, um die Motoreffizienz zu erhöhen. Als solches verringert die niedrige Wärmeleitfähigkeit Wärmeübertragungsverluste und die niedrige Wärmekapazität bedeutet, dass die Oberfläche der TBC 16 mit der Temperatur des Gases während Temperaturschwankungen misst und das Erwärmen der Kühlluft, die in die Zylinder eintritt, minimiert wird. In einer nicht beschränkenden Ausführungsform der Offenbarung kann die TBC 16 etwa 200 Mikrometer (μm) Dicke aufweisen, die auf eine Oberfläche 42 der Komponente 14 aufgebracht wird, die eine berechnete Wärmeleitfähigkeit von etwa 0,09 W/mK und eine Wärmekapazität von 240 kJ/m³K aufweist, um Wärmeverluste zu minimieren und die Motorleistung zu erhöhen. Es sollte beachtet werden, dass die TBC 16 auf andere Komponenten als die innerhalb des Motors 12 dargestellten aufgebracht werden kann. Insbesondere kann die TBC 16 auf Komponenten von Raumfahrzeugen, Raketen, Spritzgießformen und dergleichen aufgebracht werden.
Unter Bezugnahme nun auf 2, beinhaltet jede Komponente 14 ein Substrat 40 mit mindestens einer äußeren oder präsentierenden Oberfläche 42. Die TBC 16 kann mindestens eine Schicht 44 beinhalten, die an die Oberfläche 42 des Substrats 40 aufgebracht und/oder gebunden ist. Die mindestens eine Schicht 44 des TBC 16 kann mehrere Schichten beinhalten, wie eine erste oder Isolierschicht 46 und eine zweite oder Dichtungsschicht 48.
Die Isolierschicht 46 kann mehrere Mikrohohlkugeln 50 beinhalten, die miteinander gesintert werden, um eine Schicht mit einer extrem hohen Porosität und meist geschlossenzelligen Struktur zu erzeugen. Vorzugsweise kann die Porosität der Isolierschicht 46 mindestens etwa 75 % und insbesondere eine Porosität zwischen etwa 75 % und etwa 95 % aufweisen. Die hohe Porosität der Isolierschicht 46 sorgt dafür, dass ein entsprechendes Volumen an Luft und/oder Gasen darin enthalten ist, wodurch die gewünschten Isoliereigenschaften mit einer niedrigen effektiven Wärmeleitfähigkeit und einer niedrigen effektiven Wärmekapazität vorgesehen sind.
Es ist vorgesehen, dass je höher der Volumenanteil der Porosität in der Isolierschicht 46 ist, je niedriger die Wärmeleitfähigkeit und die Kapazität ist. Der Porositätsgrad muss mit den mechanischen Anforderungen, wie etwa der Druckfestigkeit, ausgeglichen werden, die erforderlich ist, um den hohen Druckstufen im Motor 12 standzuhalten. Die Dicke T1 der Isolierschicht kann zwischen etwa 50 Mikrometer oder Mikrometer (μm) und etwa 1000 μm oder 1 Millimeter (mm) liegen. Die Dicke T2 der Dichtungsschicht 48 kann zwischen etwa 1 µm und etwa 20 µm liegen. Die Isolierschicht 46 ist so konfiguriert, um Oberflächentemperaturen von mindestens 1000 Grad Celsius (ºC) standzuhalten.
Die Mikrohohlkugeln 50 können aus einer Kombination aus Polymer-, Metall-, Glas- und/oder Keramikmaterialien bestehen. In einer nicht beschränkenden Ausführungsform werden die Mikrohohlkugeln 50 mithilfe von Keramiken, wie Glasbläschen oder Cenospheres, wie Fillite^® und dergleichen, für die Haltbarkeit und Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit bei hohen Temperaturen gebildet. Die Mikrohohlkugeln 50 können einen Durchmesser D1 zwischen etwa 10 μm und etwa 100 μm und eine Schalendicke von etwa 2 % bis etwa 5 % des Durchmessers der Mikrohohlkugeln 50 aufweisen.
In einer Ausführungsform der Offenbarung können die keramischen Mikrohohlkugeln 50 etwa 0 Gew.-% bis etwa 100 Gew.-% Siliziumoxid (SiO₂) und etwa 0 Gew.-% bis etwa 100 Gew.-% Aluminiumoxid (Al₂O₃) umfassen. Die mehreren keramischen Mikrohohlkugeln umfassen alternativ etwa 50 Gew.-% bis etwa 70 Gew.-% Siliziumoxid und etwa 30 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-% Aluminiumoxid, um einen höheren Schmelzpunkt zu erzielen.
Alternativ können Aluminiumoxid oder andere Oxide oder Keramiken verwendet werden, um die Mikrohohlkugeln 50 zu bilden, wenn das Material eine ausreichende Hochtemperaturfähigkeit und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE – Coefficient of Thermal Expansion) von mehr als 8 ppm/C aufweist. Nicht beschränkende exemplarische Materialien können Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkonoxid, seltene Erd-Zirkonat-Pyrochlore und seltene Erd-Titanat-Pyrochlore einschließen, wobei die seltene Erde ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Yetrium (Y), Lanthan (La), Cer (Ce), Praseodym (Pr), Neodym (Nd), Samarium (Sm), Europium (Eu), Gadolinium (Gd), Terbium (Tb), Dyprosium (Dy) Holmium (Ho), Erbium (Er), Thulium (Tm), Ytterbium (Yb) und Lutetium (Lu).
Die Mikrohohlkugeln 50 können nach einem oder mehreren physikalischen Faktoren, wie etwa nach Größe oder Dichte, sortiert werden, um eine gezielte Größenverteilung zu erreichen. In einer nicht beschränkenden Ausführungsform würde ein durchschnittlicher Durchmesser einer Mikrohohlkugel 50 etwa ein Viertel der Dicke der TBC 16 betragen, obwohl es sich versteht, dass der Durchmesser der Mikrohohlkugel 50 für eine dünnere TBC 16 kleiner wäre. Die Mikrohohlkugeln 50 können mit einem Durchmesser von etwa 10 Mikrometer bis etwa 50 Mikrometer sortiert und ausgewählt werden.
Unter Bezugnahme auf die 3A und 3B können in einer Ausführungsform der Offenbarung die Mikrokugeln 50 mit Teilchen 54 einer Matrix bildenden Legierung kombiniert werden, die allgemein mit dem Bezugszeichen 56 bezeichnet wird. 3A zeigt einen Abschnitt der TBC 16 vor dem Erwärmen, worin die Teilchen 54 in Hohlräumen zwischen benachbarten Mikrohohlkugeln 50 angeordnet sind. Die Teilchen 54 verbinden sich in Matrix 56 mit den Mikrohohlkugeln 50, um die strukturelle Haltbarkeit und Robustheit der Isolierschicht 46 zu erhöhen.
Die Teilchen 54 können aus einer Zusammensetzung bestehen, die bei einer niedrigeren Temperatur als die Mikrohohlkugeln 50 schmilzt oder sintert, um benachbarte Mikrohohlkugeln 50 zusammen mit der Oberfläche 42 des Substrats 40 mit der Matrix 56 zu verschmelzen, ohne die Mikrohohlkugeln 50 zu deformieren oder zu beschädigen. Wenn der Schmelzpunkt der Teilchen 54 unter etwa 1000 Grad Celsius (ºC) liegt, kann eine Standard-Antriebssystem-Betriebstemperatur die Teilchen 54 entweder mit den Mikrohohlkugeln 50 oder einem anderen Material vermischen, um die Matrix 56 mit einem Schmelzpunkt von mehr als 1000 Grad Celsius (ºC) zu bilden.
Die Teilchen 54 können eine Keramik oder ein Glas, wie etwa Bortrioxid, Aluminiumoxid, Aluminiumsilikat, Siliciumdioxid, Silikatglas oder Gemische davon, umfassen, die einen niedrigeren Schmelzpunkt als die Hohlkugeln aufweisen und das Sintern und Binden fördern. Alternativ können die Teilchen 54 ein Metall, wie etwa Aluminium oder eine Aluminiumlegierung, umfassen, das bei einer Temperatur unter 1000 Grad Celsius (°C) schmilzt, um die Mikrohohlkugeln 50 zu verschmelzen und durch Oxidation zu einem Aluminiumoxid umzuwandeln. Alternativ können die Teilchen 54 ein Metallnitrat oder Metallalkoxidvorläufer, wie etwa Aluminiumnitrat oder Titanisopropoxid oder Tetraethylorthosilicat, umfassen, die zu einem Oxid, beispielsweise Aluminiumoxid oder Titanoxid oder Siliziumoxid, pyrolysiert werden können. In dieser Ausführungsform werden die Mikrohohlkugeln 50 mit einer Lösung des Metallnitrats oder des Alkoxidvorläufers oder mit dem reinen Vorläufer vermischt.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform können die Teilchen 54 ein präkeramisches Polymer, wie etwa Siloxane, Silane, Carbosilane, Silazane, Borosilane und ähnliche Moleküle, umfassen, die zu einem Oxid pyrolysiert werden. Es ist vorgesehen, dass eine Größenverteilung der Teilchen 54 zur Verwendung in der Matrix 56 definiert werden kann. In einer Ausführungsform können alle Teilchen 54, die weniger als etwa ein Zehntel der Dicke der Beschichtung oder größer als etwa ein Drittel der Beschichtungsdicke aufweisen, von der Matrix ausgeschlossen werden, um die strukturelle Haltbarkeit und Robustheit der Matrix zu gewährleisten, indem große Zwischenräume zwischen den Mikrohohlkugeln 50 vermieden werden.
Unter erneuter Bezugnahme auf 2 wird das Aufbringen der ersten oder Isolierschicht 46 auf die Oberfläche 42 des Substrats 40 detaillierter beschrieben. Mikrohohlkugeln 50 werden in einer Aufschlämmung angeordnet. Die Aufschlämmung kann als Pulver feiner als die Größe der Mikrohohlkugeln 50 Zusatzstoffe enthalten, um das Sintern durch chemische Reaktion, Diffusion oder Legierung zu erleichtern, und die Rheologie kann durch Zugabe einer geeigneten Menge an Lösungsmittel, Bindemittel, Schmiermittel, Koagulierungsmittel und/oder Antiflockmittel angepasst werden, um kohlenstoffhaltige oder andere Verunreinigungen zu minimieren und/oder entfernen, auf die sich ein Sinterverfahren oder die endgültige Beschichtungszusammensetzung auswirken kann.
Die Aufschlämmung kann aus einem Lösungsmittel, wie etwa Wasser, einem wasserlöslichen Bindemittel, beispielsweise Hydroxypropylcellulose, Polyvinylalkohol, Polyvinylpyrrolidon oder Cellulosepolymerderivaten, und Bortrioxid als Sinterhilfsmittel, gebildet sein. Alternativ kann das Bindemittel ein organisches Polymer, wie etwa Polyvinylalkohol, Polyvinylpyrrolidon oder Cellulosepolymerderivate, enthalten, die in Konzentrationen von etwa 0,1 Gew.-% und etwa 8 Gew.-% verwendet werden, die bei den nachfolgenden Wärmebehandlungen meist entfernt werden. Ein organisches Lösungsmittel, wie etwa Isopropanol oder Aceton, kann auch zu Wasser gegeben oder vollständig für das Lösungsmittel substituiert werden, wobei in diesem Fall das Bindemittel in der Mischung geeignet löslich sein muss, wie etwa einem Polyvinylbutyralharz.
Andere Aufschlämmungszusatzstoffe, beispielsweise Polyethylenglykol und Glycerin, können für rheologische Anpassungen, wie etwa Entflockung, Schmierung und Entschäumung, verwendet werden, um die Packungswirksamkeit bei der Aufschlämmung zu maximieren. Vorzugsweise wird die Aufschlämmung zum Aufbringen durch Zugabe von gerade genug Lösungsmittel fluidisiert, um sanft über die Oberfläche 42 des Substrats 40 zu fließen, beispielsweise etwa 10 Milliliter (ml) für 10 Gramm (g) trockener Mikrohohlkugeln 50 und eine minimale Menge an Bindemittel ist ebenfalls zugesetzt, um restlichen Kohlenstoff nach dem Ausbrennen zu reduzieren.
Der Volumenanteil der Matrix 56 in der Beschichtung beträgt etwa 5 % bis etwa 20 %, worin geringere Volumenanteile zu einer höheren Gesamtbeschichtungsporosität führen können. Die Matrix 56 kann auch die TBC 16 vor dem Eindringen von kohlenstoffhaltigem Verbrennungsrückstand abdichten, der die offene Porosität in der TBC 16 auffüllen kann, wodurch die Wärmeleitfähigkeit und die Kapazität erhöht wird. Ein hoher Volumenanteil der Matrix 56 an der Oberfläche der Beschichtung erzeugt eine dichte Schicht, die das Eindringen von Verbrennungsgasen und Rückständen mit einem Volumenanteil der Matrix 56 in der Beschichtung von etwa 3 % bis etwa 20 % hemmt. Alternativ kann ein niedrigerer Volumenanteil der Matrix 56 gebildet werden, um die Wärmeleitfähigkeit und die Kapazität zu verringern, indem zunächst die Matrixfraktion zur Bildung der Beschichtung begrenzt wird und dann eine dünne Schicht aus zusätzlichem Matrixmaterial auf die Oberseite der Beschichtung aufgebracht wird, worin der Volumenanteil von der Matrix 56 in dieser dichten Matrix von etwa 10 μm bis etwa 100 μm etwa 20 % bis etwa 40 % beträgt.
Die erste oder Isolierschicht 46 kann durch Aufbringen einer Aufschlämmung der Mikrohohlkugeln 50 auf die Oberfläche 42 des Substrats 40 der Komponente 14 gebildet werden. Die Aufschlämmung kann als Sprühbeschichtung auf die Oberfläche 42 des Substrats 40 über eine Druckspritzpistole aufgebracht werden, die so eingestellt ist, dass sie eine gleichmäßige Beschichtung der Aufschlämmung auf der Oberfläche 42 verteilt. Alternativ können die Mikrohohlkugeln 50 in der Aufschlämmung auf der Oberfläche 42 des Substrats 40 rakelgestrichen oder abgeschabt und dadurch etwa 2 Stunden bei etwa 850 Grad Celsius (ºC) gesintert werden.
Wie oben erörtert, können die Oxid- oder Metallteilchen 54 mit den Mikrohohlkugeln 50 und einem Lösungsmittel und Zusatzstoffen gemischt werden, um eine Aufschlämmung zu bilden. Eine Beschichtung der Aufschlämmung wird auf die Oberfläche 42 des Substrats 40 aufgebracht, getrocknet und wärmebehandelt, um die TBC 16 zu bilden. Die Aufschlämmung auf der Oberfläche 42 des Substrats 40 kann in zwei Stufen wärmebehandelt werden. Die erste Stufe kann ein Tieftemperatur-Trocknungsverfahren sein, um überschüssiges Lösungsmittel langsam genug zu entfernen, um die Bildung von Rissen zu vermeiden. Bevorzugte Temperaturen liegen im Bereich von etwa 20 Grad Celsius (ºC) bis etwa 250 Grad Celsius (ºC). Die zweite Stufe kann ein Schmelz- oder Sinterschritt sein, um die Mikrohohlkugeln 50 miteinander und die Oberfläche 42 des Substrats 40 zu verschmelzen, um die strukturelle Integrität in einem Temperaturbereich von etwa 700 Grad Celsius (ºC) bis etwa 900 Grad Celsius (ºC) zu verbessern.
In einer weiteren Ausführungsform wird eine Beschichtung der resultierenden Aufschlämmung auf die Oberfläche 42 des Substrats 40 aufgebracht, getrocknet und wärmebehandelt, um den Vorläufer in ein Oxid zu pyrolysieren. In einer weiteren Ausführungsform können präkeramische Monomere mit einem Lösungsmittel gemischt werden, um eine Flüssigkeit zu erzeugen, die mit den Mikrohohlkugeln 50 gemischt werden kann. Diese Aufschlämmung kann dann als Beschichtung aufgebracht auf die Oberfläche 42 des Substrats 40 aufgebracht werden. Nach dem Verdampfen des Lösungsmittels wird die Monomer-/Mikrohohlkugelbeschichtung dann entweder durch UV-Lichtbelichtung oder durch Thermofixieren gehärtet. Die Aushärtung vernetzt die Monomere und bildet eine feste Polymermatrix. Diese Polymermatrix wird dann in Luft oder inerter Atmosphäre in eine Keramik, z. B. bei 1000 Grad Celsius (ºC) in Argon, pyrolysiert, wobei exakte Pyrolysebedingungen vom präkeramischen Polymer abhängen.
Unter Bezugnahme auf die 4A und 4B ist die Dichtungsschicht 48 nun über der Isolierschicht 46 angeordnet, sodass die Isolierschicht 46 zwischen der Dichtungsschicht 48 und der Oberfläche 42 des Substrats 40 der Komponente 14 angeordnet ist. Die Dichtungsschicht 48 kann ein meist nicht durchlässiger, dichter, dünner Film sein, der auf der Oberseite der Isolierschicht, die die Mikrohohlkugeln umfasst, wie in 4A, sitzt, oder sie könnte eine meist nicht durchlässige Schicht sein, die Mikrohohlkugeln, wie in 4B, enthält. Insbesondere umfasst die Dichtungsschicht 48 ein Material, das so konfiguriert ist, um Temperaturen von etwa 1100 Grad Celsius (ºC) standzuhalten. Die Dichtungsschicht 48 kann so konfiguriert sein, um eine Dicke von etwa 1 µm bis etwa 20 µm aufzuweisen. Die Dichtungsschicht wird vorzugsweise aus Materialien gebildet, die Aluminiumoxid, Aluminiumsilikat, Siliziumoxid, Silikatglas oder Mischungen davon umfassen. Alternativ kann die Dichtungsschicht aus Hochtemperaturmetallen oder Metalllegierungen, wie etwa Nickel, Kobalt, Eisen, Chrom, feuerfesten Metallen und deren Legierungen, gebildet werden. Alternativ kann die Dichtungsschicht aus einem präkeramischen Polymer gebildet werden, das aus der Gruppe ausgewählt aus Siloxanen, Silanen, Carbosilanen, Silazanen und Borosilanen besteht, die bei der Wärmebehandlung der Isolierschicht in eine Keramik umgewandelt werden.
Die Dichtungsschicht 48 kann für Verbrennungsgase nicht durchlässig sein, sodass eine Abdichtung zwischen der Dichtungsschicht 48 und der Isolierschicht 46 vorgesehen ist. Eine solche Abdichtung verhindert, dass Schmutz von Verbrennungsgasen, wie etwa unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Ruß, teilweise umgesetzter Brennstoff, flüssiger Brennstoff und dergleichen, in die poröse Struktur eintritt, die durch die Mikrohohlkugeln 50 gebildet ist. Wenn solcher Schmutz in die poröse Struktur der Isolierschicht 46 gelangen würden, würde die sich in der porösen Struktur befindliche Luft durch den Schmutz verdrängt und die Isoliereigenschaften der Isolierschicht 46 würden verringert oder eliminiert werden.
Die Dichtungsschicht 48 kann so konfiguriert sein, um eine glatte Außenfläche 58 darzustellen. Eine glatte Dichtungsschicht 48 aufzuweisen kann wichtig sein, um die Erzeugung eines turbulenten Luftstroms zu verhindern, wenn die Luft über die Außenfläche 58 der Dichtungsschicht 48 strömt. Ferner wird durch eine Dichtungsschicht 48 mit einer glatten Oberfläche ein erhöhter Wärmeübertragungskoeffizient verhindert. In einem nicht beschränkenden Beispiel kann die Dichtungsschicht 48 über Galvanik auf die Isolierschicht 46 aufgebracht werden. In einem weiteren nicht beschränkenden Beispiel kann die Dichtungsschicht 48 gleichzeitig über das Sintern der Isolierschicht 46 auf die Isolierschicht aufgebracht werden.
Die Dichtungsschicht 48 ist so konfiguriert, um ausreichend elastisch zu sein, um einem Bruch oder einer Rissbildung während der Schmutzbelastung vorzubeugen. Ferner ist die Dichtungsschicht 48 so konfiguriert, um ausreichend nachgiebig zu sein, um jeder Ausdehnung und/oder Kontraktion der darunterliegenden Isolierschicht 46 standzuhalten. Ferner sind die Isolier- und Dichtungsschichten 46, 48 jeweils so konfiguriert, um einen kompatiblen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufzuweisen, um thermischer Ermüdung standzuhalten.
In einer Ausführungsform der Offenbarung kann die TBC 16 Cenosphären beinhalten, die als keramische Mikrohohlkugeln 50 mit einer Zusammensetzung von etwa 50 Gew.-% bis etwa 60 Gew.-% Siliziumoxid, etwa 34 Gew.-% bis etwa 42 Gew.-% Aluminiumoxid und weniger als 2 % Eisenoxid (Fe₂O₃) gebildet sind. Die Mikrohohlkugeln 50 werden mit Aluminiumoxid- und Bortrioxid(B₂O₃)-Teilchen 56 als Matrix bildendes Material im Verhältnis von etwa 0 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-% vermischt, vorzugsweise etwa 10 Gew.-% bis etwa 20 Gew.-% der Masse der Mikrohohlkugeln 50, um eine flüssige Phase vorzusehen und die Schmelztemperatur der Beschichtung der Mikrohohlkugel 50 ausreichend zu unterdrücken, um die Bildung einer TBC 16 auf einer Edelstahloberfläche 42 des Substrats 40 der Komponente 14 zu ermöglichen.
Eine Aufschlämmung wird mit Mikrohohlkugeln 50, Aluminiumoxid- und Bortrioxidteilchen 56 und etwa 1 Gew.-% bis etwa 2 Gew.-% Hydroxypropylcellulose, die als Bindemittel zugesetzt wird, gebildet. Wasser wird der Mischung zugesetzt, um eine niedrige Viskosität zu erzielen. Diese Aufschlämmung wird mit einer Spritzpistole auf die Oberfläche 42 des Substrats 40 gesprüht, in einem Ofen bei etwa 125 Grad Celsius (ºC) getrocknet und anschließend in Luft bei etwa 725 Grad Celsius (ºC) für 2 Stunden gesintert.
Es wird ein Verfahren zum Aufbringen einer Wärmeschutzbeschichtung 16 auf eine Oberfläche 42 eines Substrats 40 einer Komponente 14 detaillierter beschrieben. Das Verfahren beinhaltet das Bereitstellen von mehreren keramischen Mikrohohlkugeln. Die mehreren keramischen Mikrohohlkugeln können so sortiert werden, dass keramische Mikrohohlkugeln mit einem Durchmesser von etwa 10 Mikrometer bis etwa 100 Mikrometer, vorzugsweise etwa 10 Mikrometer bis etwa 50 Mikrometer, zur Verwendung ausgewählt werden.
Die Teilchen 54 der Matrix 56 können den ausgewählten Mikrohohlkugeln 50 zugesetzt werden. Die Teilchen 54 können mehrere Mischungen beinhalten und mit einem Gewichtsanteil von etwa 5 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-% der Mikrohohlkugeln 50 zugesetzt werden. In einer Ausführungsform kann die Mischung der Matrix 56 Boroxid und etwa 0 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-% Aluminiumoxid beinhalten. In einer anderen Ausführungsform kann die Mischung der Matrix 56 ein Borsilikatglas beinhalten. In einer weiteren Ausführungsform kann die Mischung der Matrix 56 ein Aluminiummetall oder eine Aluminiumlegierung beinhalten, die geschmolzen wird, um die Mikrohohlkugeln 50 miteinander zu verschmelzen und anschließend zu einer Oxidmatrix 56 oxidiert zu werden.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Mischung der Matrix 56 Siliciumdioxid-Vorläufer einschließlich Tetraethylorthosilicat beinhalten, die die Mikrohohlkugeln 50 miteinander verschmelzen und anschließend an eine Oxidmatrix pyrolysiert werden. In einer weiteren Ausführungsform kann die Mischung der Matrix 56 präkeramische Vorläufer einschließen, einschließlich Siloxane, Silane, Carbosilane, Silazane, Borosilane und ähnlichen Molekülen und Mischungen davon, die anschließend durch thermische oder UV-Härtung vernetzt und dann in einer inerten Atmosphäre zu einer keramischen Matrix 56 pyrolysiert werden.
Eine Aufschlämmung wird mit den mehreren keramischen Mikrohohlkugeln 50, der Matrix 56 und mindestens einem Lösungsmittel und einem Bindemittel, wie oben beschrieben, hergestellt. Die Aufschlämmung wird auf die Oberfläche 42 des Substrats 40 der Komponente 14 mithilfe eines Verfahrens aus der Gruppe bestehend aus Sprühen, Tauchlackieren und Abschaben aufgebracht. Es wird mindestens eine Wärmebehandlung auf die Aufschlämmung und die Oberfläche 42 der Komponente 14 aufgebracht. Die mindestens eine Wärmebehandlung kann das Trocknen der Aufschlämmung und der Oberfläche 42 der Komponente 14 in einem Ofen bei etwa 125 Grad Celsius (ºC) und anschließendes das Sintern der Aufschlämmung und der Komponente 14 in Luft bei etwa 725 Grad Celsius (ºC) für 2 Stunden beinhalten. Eine nicht durchlässige Dichtungsschicht 48 kann mit der Aufschlämmung derart verbunden sein, dass die nicht durchlässige Dichtungsschicht 48 gegen die Aufschlämmung abdichtet.
Die ausführliche Beschreibung und die Zeichnungen oder Figuren unterstützen und beschreiben die Offenbarung, während der Umfang der Offenbarung jedoch einzig und allein durch die Patentansprüche definiert wird. Obwohl einige der besten Modi und weitere Ausführungsformen der beanspruchten Offenbarung ausführlich beschrieben wurden, gibt es verschiedene alternative Konzepte und Ausführungsformen zur Umsetzung der in den hinzugefügten Ansprüchen definierten Offenbarung. Darüber hinaus sollen die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen oder die Merkmale von verschiedenen Ausführungsformen, die in der vorliegenden Beschreibung erwähnt sind, nicht unbedingt als voneinander unabhängige Ausführungsformen aufgefasst werden. Vielmehr ist es möglich, dass jedes der in einem der Beispiele einer Ausführungsform beschriebenen Merkmale mit einem oder einer Vielzahl von anderen gewünschten Merkmalen aus anderen Ausführungsformen kombiniert werden kann, was andere Ausführungsformen zur Folge hat, die nicht in Worten oder durch Bezugnahme auf Zeichnungen beschrieben sind. Dementsprechend fallen derartige andere Ausführungsformen in den Rahmen des Schutzumfangs der angehängten Ansprüche.

Claims

Wärmeschutzbeschichtung, umfassend: eine Isolierschicht, die auf einer Oberfläche eines Substrats mit einer Dicke von etwa zwischen 50 Mikrometer und etwa 1 Millimeter aufgebracht ist, worin die Isolierschicht mehrere keramische Mikrohohlkugeln und eine Porosität von mindestens 75 % umfasst; und eine Dichtungsschicht, die mit der Isolierschicht verbunden ist, worin die Dichtungsschicht nicht durchlässig ist, sodass die Dichtungsschicht gegen die Isolierschicht abdichtet.
Wärmeschutzbeschichtung nach Anspruch 1, worin die Isolierschicht ferner ein Matrixmaterial umfasst, das so konfiguriert ist, um mit den mehreren Mikrohohlkugeln verbunden zu sein.
Wärmeschutzbeschichtung nach Anspruch 2, worin das Matrixmaterial ferner Bortrioxid, Aluminiumoxid, Aluminiumsilikat, Siliciumoxid oder Silikatglas oder Mischungen davon umfasst.
Wärmeschutzbeschichtung nach Anspruch 2, worin das Matrixmaterial ferner ein präkeramisches Polymer umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Siloxanen, Silanen, Carbosilanen, Silazanen und Borosilanen.
Wärmeschutzbeschichtung nach Anspruch 1, worin die mehreren keramischen Mikrohohlkugeln ferner etwa 0 Gew.-% bis etwa 100 Gew.-% Siliziumoxid und etwa 0 Gew.-% bis etwa 100 Gew.-% Aluminiumoxid umfasst.
Wärmeschutzbeschichtung nach Anspruch 1, worin die mehreren keramischen Mikrohohlkugeln ferner etwa 50 Gew.-% bis etwa 70 Gew.-% Siliziumoxid und etwa 30 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-% Aluminiumoxid umfasst.
Wärmeschutzbeschichtung nach Anspruch 1, worin die Dichtungsschicht ein oder mehrere Elemente umfassen kann, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Aluminiumoxid, Aluminiumsilikat, Siliziumoxid, Silikatglas oder Gemischen davon, Hochtemperaturmetallen und Metalllegierungen, einschließlich Nickel, Kobalt, Eisen, Chrom, feuerfesten Metallen und entsprechenden Legierungen.
Wärmeschutzbeschichtung nach Anspruch 1, worin die Dichtungsschicht aus einem präkeramischen Polymer gebildet sein kann, das ein oder mehrere Elemente umfasst, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Siloxanen, Silanen, Carbosilanen, Silazanen und Borosilanen, worin das präkeramische Polymer bei einer Wärmebehandlung der Isolierschicht in eine Keramik umgewandelt wird.
Verfahren zum Aufbringen einer Wärmeschutzbeschichtung auf eine Oberfläche einer Komponente, umfassend: das Bereitstellen von mehreren keramischen Mikrohohlkugeln; das Auswählen der keramischen Mikrohohlkugeln mit einem Durchmesser zwischen etwa 10 und etwa 50 Mikrometer von den mehreren keramischen Mikrohohlkugeln; das Aufbringen der mehreren keramischen Mikrohohlkugeln auf die Oberfläche des Substrats; und das Anwenden mindestens einer Wärmebehandlung auf die mehreren keramischen Mikrohohlkugeln, um eine Isolierschicht auf der Oberfläche des Substrats zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend: das Bereitstellen eines Matrixmaterials, das so konfiguriert ist, um mit den mehreren Mikrohohlkugeln verbunden zu werden; und das Kombinieren des Matrixmaterials und den Mikrohohlkugeln, um auf die Oberfläche des Substrats ausgetragen zu werden.