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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Wärmedämmschicht für einen Verbrennungsmotor.
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HINTERGRUND
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Manche Fahrzeuge beinhalten als Antrieb eine Motorbaugruppe. Die Motorbaugruppe kann einen Verbrennungsmotor und ein Kraftstoffeinspritzungssystem beinhalten. Der Verbrennungsmotor beinhaltet einen oder mehrere Zylinder. Jeder der Zylinder definiert eine Brennkammer. Im Betrieb verbrennt der Verbrennungsmotor in der Brennkammer ein Luft-Kraftstoff-Gemisch, um einen Kolben zu bewegen, der sich im Zylinder befindet. Die Aufrechterhaltung von Temperaturumgebungen in Motorbaugruppen kann aufgrund der Konfiguration der Motorbaugruppe und der Funktionen verschiedener Komponenten begrenzt sein.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Eine Wärmedämmschicht umfasst eine auf einer Oberfläche eines Substrats aufgebrachte Isolierschicht. Die Isolierschicht umfasst eine Vielzahl von Mikrokugeln. Eine Dichtschicht ist mit der Isolierschicht verbunden. Die Dichtschicht ist nicht durchlässig, sodass die Dichtschicht gegen die Isolierschicht abdichtet. Die Isolierschicht kann eine Porosität von mindestens 80 % aufweisen und eine Dicke zwischen etwa 100 Mikrometer und etwa 1 Millimeter haben.
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Die Isolierschicht kann ferner ein Matrixmaterial umfassen, das dafür konfiguriert ist, sich mit der Vielzahl von Mikrokugeln zu verbinden. Die Vielzahl von Mikrokugeln kann eine Grundfläche umfassen, die aus mindestens einem aus einer Metalllegierung, einem Polymer oder einer Keramik gebildet ist. Auf der Grundfläche der Vielzahl von Mikrokugeln kann eine erste Beschichtung aus Nickel aufgebracht werden. Auf die erste Beschichtung werden eine oder mehrere einer zweiten Beschichtung und einer dritten Beschichtung aus mindestens einem Legierungselement aufgebracht. Die zweite Beschichtung kann Nanopartikel umfassen, die auf die erste Beschichtung aufgebracht werden. Die Dichtschicht kann eine Dicke zwischen etwa 1 Mikrometer und etwa 20 Mikrometern aufweisen.
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In einer anderen Ausführungsform der Offenbarung umfasst ein Verfahren zum Aufbringen einer Wärmedämmschicht auf eine Komponente das Anordnen einer Isolierschicht der Wärmedämmschicht auf einem Substrat der Komponente. Die Isolierschicht kann ein Matrixmaterial beinhalten, das so konfiguriert ist, dass es mit einer Vielzahl von Mikrokugeln verbunden ist. Eine Wärmebehandlung wird auf die Isolierschicht auf der Oberfläche des Substrats aufgebracht. Eine Dichtschicht der Wärmedämmschicht ist mit der Isolierschicht verbunden. Die Dichtschicht ist nicht durchlässig, sodass die Dichtschicht gegen die Isolierschicht abdichtet.
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Die Isolierschicht der Wärmedämmschicht kann durch Bereitstellen einer Vielzahl von Mikrokugeln gebildet werden, wobei jede der Vielzahl von Mikrokugeln eine Grundfläche aufweist. Eine erste Beschichtung mit einer Nickellegierung wird auf die Grundoberfläche aufgebracht, während eine zweite Beschichtung, die ein oder mehrere Aluminium-, Chrom- und Nanopartikel enthält, auf die erste Beschichtung aufgebracht wird. Die erste und die zweite Beschichtung können durch eine oder mehrere der stromlosen Plattierungen, die chemische Gasphasenabscheidung und die physikalische Dampfabscheidung aufgetragen werden.
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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.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine schematische Diagrammansicht eines Fahrzeugs, die eine Seitenansicht eines Verbrennungsmotors mit einem Zylinder darstellt, der auf einer oder einer Vielzahl von Komponenten eine Beschichtung aufweist;
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2 ist eine schematische Seiten- und Queransicht der Wärmedämmschicht, die sich auf der Komponente befindet;
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3A–3C sind schematische Querschnittsseitenansichten von Mikrokugeln der Wärmedämmschicht, wie sie gemäß der vorliegenden Offenbarung gebildet sind;
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4A–4B sind schematische Seiten- und Queransichten von Mikrokugeln der Wärmedämmschicht, die mit einem Matrixmaterial verbunden sind, das auf ein Substrat der Komponente aufgebracht ist; und
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5A–5B sind eine schematische Querschnittsseitenansicht der Wärmedämmschicht, die auf der Komponente angeordnet ist, die die auf dem Substrat aufgebrachten Isolations- und Dichtschichten der Wärmedämmschicht veranschaulichen.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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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.
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, worin in den verschiedenen Figuren gleiche Verweisziffern gleichen oder ähnlichen Komponenten entsprechen, wird in 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform dieser Offenbarung ein Fahrzeug 10 mit einem Antriebssystem 12 schematisch dargestellt. Das Antriebssystem 12 kann aus einem Verbrennungsmotor, Brennstoffzellen, Motoren und dergleichen bestehen. Das Antriebssystem 12 kann Teil des Fahrzeugs 10 sein, das ein motorisiertes Fahrzeug beinhalten kann (zum Beispiel normale Personenkraftwagen, Geländewagen, Kleinlastwagen, schwere Nutzfahrzeuge, Kleinbusse, Busse, Transportfahrzeuge, Fahrräder, Roboter, landwirtschaftliche Fahrzeuge, Sportausrüstung oder jede beliebige andere Transportvorrichtung). Zur Klarheit wird Antriebssystem 12 im Folgenden als ein Verbrennungsmotor oder Motor 12 bezeichnet.
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Der Motor 12 von Fahrzeug 10 kann eine oder mehrere Komponenten 14 beinhalten. Die Komponente 14 weist eine Wärmedämmschicht (TBC) 16 des hierin offenbarten Typs auf, die darauf aufgebracht ist. In einer Ausführungsform der Offenbarung kann TBC 16 einen Verbundwerkstoff bzw. eine mehrschichtige Struktur oder Konfiguration beinhalten. Das Fahrzeug 10 und der Motor 12 aus 1 stellen zwar eine typische Beispielanwendung dar, die für die hierin offenbarte TBC 16 geeignet ist, das vorliegende Design ist jedoch nicht auf Fahrzeug- und/oder Motoranwendungen beschränkt. Jede ortsfeste oder bewegliche Maschine bzw. Anfertigung, in der eine Komponente davon Wärme ausgesetzt wird, kann von einer Verwendung des vorliegenden Designs profitieren. Zur Konsistenz bei der Veranschaulichung werden das Fahrzeug 10 und Motor 12 nachfolgend als beispielhaftes System beschrieben, ohne die Verwendung der TBC 16 auf eine solche Ausführungsform zu beschränken.
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1 zeigt einen Motor 12 mit einem einzelnen Zylinder 18. Der Fachmann wird jedoch erkennen, dass die vorliegende Offenbarung auch auf Komponenten 14 von Motoren 12, die mehrere Zylinder 26 aufweisen, angewendet werden kann. Jeder der Zylinder 18 definiert eine Brennkammer 22. Der Motor 12 ist dafür konfiguriert, Energie für den Antrieb von Fahrzeug 10 zu liefern. Der Motor 12 kann unter anderem einen Dieselmotor oder Benzinmotor beinhalten. Der Motor 12 beinhaltet ferner eine Einlassbaugruppe 28 und einen Abgaskrümmer 30, die jeweils in fließender Kommunikation zur Brennkammer 22 stehen. Der Motor 12 beinhaltet einen Hubkolben 20, der sich in Zylinder 18 durch Verschieben bewegen kann.
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Die Brennkammer 22 ist dafür konfiguriert, ein Luft-Kraftstoff-Gemisch zu verbrennen, um Energie für den Antrieb des Fahrzeugs 10 zu liefern. Luft kann in die Brennkammer 22 des Motors 12 gelangen, indem sie durch die Einlassbaugruppe 28 strömt, wo der Luftstrom vom Ansaugkrümmer in die Brennkammer 22 von mindestens einem Einlassventil 24 geregelt wird. Kraftstoff wird in die Brennkammer 22 eingespritzt, damit er sich mit der Luft vermischt, oder wird durch das bzw. die Einlassventile 32 eingeführt, sodass ein Luft-Kraftstoff-Gemisch bereitstellt wird. Das Luft-Kraftstoff-Gemisch wird in der Brennkammer 22 entzündet. Durch Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemischs entsteht Abgas, das die Brennkammer 22 verlässt und in den Abgaskrümmer 30 gesaugt wird. Genauer gesagt wird der Luftstrom (Abgasstrom) aus der Brennkammer 22 von mindestens einem Auslassventil 26 geregelt.
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Mit Bezug auf 1 und 2 lässt sich die TBC 16 auf eine Fläche bzw. Oberfläche von einer oder mehreren der Komponenten 14 des Motors 12 aufbringen, zum Beispiel auf den Kolben 20, das Einlassventil 24, das Auslassventil 26, Innenwände von Abgaskrümmer 30 und dergleichen. In einer Ausführungsform der Offenbarung kann die TBC 16 auf heiße Bereiche oder Komponenten des Motors 12 aufgebracht und mit der Komponente 14 verbunden werden, um eine Isolierung zu bilden, die dazu dient, Verluste bei der Wärmeübertragung zu reduzieren, den Wirkungsgrad zu steigern und die Abgastemperatur beim Betrieb von Motor 12 zu erhöhen.
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Die TBC 16 ist dafür konfiguriert, für eine geringe Wärmeleitfähigkeit und geringe Wärmekapazität zu sorgen und so den Wirkungsgrad des Motors zu steigern. Als solches verringert die geringe Wärmeleitfähigkeit Wärmeübertragungsverluste und die niedrige Wärmekapazität bedeutet, dass die Oberfläche des TBC 16 der Temperatur des Gases während Temperaturschwankungen folgt und das Erwärmen der in den Zylinder eintretenden Kühlluft minimiert wird. In einer nicht beschränkendem Ausführungsform der Offenbarung kann die TBC 16 ca. 200 Mikrometer (µm) Dicke aufweisen, die auf eine Oberfläche 42 der Komponente 14 aufgetragen wird und eine errechnete Wärmeleitfähigkeit von etwa 0,36 W/mK sowie eine Wärmekapazität von 289 kJ/m3K, eine Porosität von etwa 92,5 %, eine Zerkleinerungsfestigkeit von etwa 10 MPa aufweist, um Wärmeverluste zu verringern und den Wirkungsgrads von Motoren um 5–10 % zu erhöhen.
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So kann beispielsweise eine TBC 16 für den Motor 12 erwünscht sein, die das heiße Verbrennungsgas von dem wassergekühlten Motorblock mit niedrigerer Temperatur isolieren, um einen Energieverlust zu vermeiden, indem Wärme von dem Verbrennungsgas zu dem Kühlwasser übertragen wird. Ferner sollte sich das Isolationsmaterial während des Einlasstaktes schnell abkühlen, um das Kraftstoff-Luft-Gemisch vor der Zündung nicht aufzuheizen, um eine anomale Verbrennung zu vermeiden, die durch in der Verbrennungskammer 22 zurückgehaltene Wärme verursacht wird. Es ist darauf hinzuweisen, dass die TBC 16 auch auf Komponenten aufgebracht werden kann, die nicht im Motor 12 vorhanden sind. Insbesondere kann die TBC 16 auf Komponenten von Raumfahrzeugen, Raketen, Spritzgussformen und dergleichen aufgebracht werden.
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Unter Bezugnahme nun auf 2 beinhaltet jede Komponente 14 ein Substrat 40 mit mindestens einer Außen- oder Präsentationsfläche 42. Die TBC 16 kann mindestens eine Schicht 44 beinhalten, die auf die Oberfläche 42 des Substrats 40 aufgebracht wird bzw. mit dieser verbunden ist. Die mindestens eine Schicht 44 der TBC 16 kann mehrere Schichten beinhalten, z. B. eine erste oder Isolierschicht 46 und eine zweite oder Dichtschicht 48.
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Die Isolierschicht 46 kann eine Vielzahl von hohlen Mikrokugeln 50 beinhalten, die zusammen gesintert sind, um eine Schicht mit extrem hoher Porosität und einer meist geschlossenen Zellstruktur zu erzeugen. Vorzugsweise kann die Porosität der Isolierschicht 46 mindestens etwa 80 % betragen. Die hohe Porosität der Isolierschicht 46 sorgt für ein entsprechendes Volumen an Luft und/oder Gas, die bzw. das darin enthalten ist, um die gewünschten isolierenden Eigenschaften (geringe effektive Wärmeleitfähigkeit und geringe effektive Wärmekapazität) zu erzielen.
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Es ist vorgesehen, dass je höher der Volumenanteil der Porosität in der ersten Beschichtung 62 ist, desto niedriger die Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität sind. Der Porositätsgrad muss mit den mechanischen Anforderungen, wie z. B. Druckfestigkeit, in Einklang gebracht werden, die erfüllt sein müssen, um dem hohen Druckniveau im Motor 12 standzuhalten. Die Dicke T1 der Isolierschicht kann zwischen etwa 50 Mikrometern (µm) und 1000 µm oder 1 Millimeter (mm) betragen. Besonders bevorzugt kann die Dicke T2 der Dichtschicht zwischen etwa 1 μm und etwa 20 μm liegen. Die Isolierschicht 46 ist so konfiguriert, dass sie Drücke von etwa 100 bar und Oberflächentemperaturen von mindestens 1100 Grad Celsius (°C) aushalten kann.
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Die hohlen Mikrokugeln 50 können aus einer Kombination aus Polymer-, Metall-, Glas- und/oder Keramikstoffen bestehen. In einer nicht beschränkenden Ausführungsform können die hohlen Mikrokugeln 50 aus Metall bestehen, z. B. aus Nickel (Ni), Nickel-Legierungen, Eisen-Chrom-Aluminium(FeCrAl)-Legierungen, Kobalt(Co)-Legierungen und dergleichen, um lange Haltbarkeit sowie Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit bei hohen Temperaturen von etwa 1.000 Grad Celsius (°C) zu gewährleisten. Die hohlen Mikrokugeln 50 können einen Durchmesser D1 haben, der zwischen ca. 10 µm und ca. 100 µm liegt. Die Wanddicke der hohlen Mikrokugeln kann zwischen etwa 0,5 Mikrometer und 5 Mikrometern liegen.
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Unter Bezugnahme auf 3 sind Mikrokugeln 50 dargestellt, die durch eine Vielzahl von Prozessen gebildet werden können. Eine Mikrokugel 50 kann mit einer Grundfläche ausgebildet sein, die allgemein mit dem Bezugszeichen 60 bezeichnet ist. Die Grundfläche 60 kann aus einem Polymermaterial gebildet sein, um eine kugelförmige Schablone für die Mikrokugel 50 bereitzustellen. Das Polymermaterial kann für die Grundfläche 60 vorteilhaft sein, um die Leitfähigkeit und Wärmekapazität als Teil der fertiggestellten Mikrokugel 50 zu begrenzen.
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Die Grundfläche 60 kann unter Verwendung einer Vielzahl von Materialien hergestellt werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Polyvinylidenchlorid-Copolymer für eine hohle Mikrokugel 50, ein Polystyrol für eine feste Mikrokugel 50, die in einem späteren Schritt des Herstellungsprozesses entfernt werden kann. Alternativ können auch Hohlkugeln, die unter Verwendung von Keramiken, wie Glasblasen oder Cenospheren, wie Füllstoff, gebildet werden, verwendet werden, können aber nicht im Formationsverfahren entfernt werden.
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Eine erste Beschichtung 62 wird auf mindestens einen Teil der Grundfläche 60 aufgebracht. In einer Ausführungsform der Offenbarung kann die erste Beschichtung 62 ein Material, wie Nickel, umfassen, das im Wesentlichen über die gesamte Grundfläche 60 über ein stromloses Plattieren oder ein chemisches Dampfabscheidungsverfahren (CVD) aufgebracht oder aufgetragen wird. Es sollte beachtet werden, dass anstelle von Nickel ein anderes Material, wie Eisen oder Kobalt, als das erste Material der Beschichtung 62 verwendet werden könnte.
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Die Dicke der ersten Beschichtung 62 kann durch Einstellen der Zeitdauer des Plattierungsprozesses bei einer bestimmten Temperatur, beispielsweise zwischen etwa 0,2 μm und etwa 2 μm Nickel aufgetragen werden, in Abhängigkeit von dem Durchmesser D1 der Grundfläche 60 und der Zieldichte der Isolierschicht 46. In einer Ausführungsform zeigt die TBC 16 mit einer höheren Porosität eine geringere Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität, während die Festigkeit und Robustheit der Isolierschicht 46 verringert wird. Als solches ist eine Porosität zwischen etwa 90 % und etwa 97 % der Isolierschicht 46 bevorzugt.
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Eine zweite Beschichtung 64 kann dann über mindestens einen Teil der ersten Beschichtung 62 aufgebracht und/oder aufgetragen werden. Die zweite Beschichtung 64 kann ein Material sein, das eine Legierung mit der ersten Beschichtung 62 bildet. In einer Ausführungsform enthält die erste Beschichtung Nickel und die zweite Beschichtung enthält mindestens ein oder mehrere Elemente, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Zink (Zn), Kupfer (Cu), Chrom (Cr), Aluminium (Al), Cobalt (Co), Molybdän (Mo), Wolfram (W), Tantal (Ta), Titan (Ti), Zirkonium (Zr), Hafnium (Hf) und/oder Yttrium (Y). Es ist vorteilhaft, wenn die zweite Beschichtung 64 eine Legierung mit der ersten Beschichtung bildet, da reines Nickel bei erhöhten Temperaturen eine begrenzte Festigkeit und Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit bietet.
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Das Legierungsmaterial der zweiten Beschichtung 64 kann auf mindestens einen Teil der ersten Beschichtung 62 durch stromloses Plattieren, CVD, Dampfphasenabscheidungsverfahren oder Trockensputtern aufgebracht werden. Unter Bezugnahme auf die 3A–3C sind verschiedene Konfigurationen von Mikrokugeln 50 zur Verwendung in der TBC 16 dargestellt. 3A veranschaulicht die Mikrokugel 50 mit einer Basispolymeroberfläche 60, die zumindest teilweise von einer ersten Beschichtung 62 bedeckt ist, die Nickel enthält. Die zweite Beschichtung 64 umfasst ein Legierungselement, wie Chrom oder Aluminium, das die erste Beschichtung 62 zumindest teilweise bedeckt.
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Es versteht sich, dass die Materialien, die mit der Basisoberfläche 60 der Mikrokugel 50, der ersten Beschichtung 62 und der zweiten Beschichtung 64 verwendet werden, angepasst werden können, ohne die Funktionalität der Mikrokugel 50 zu beeinträchtigen. In einer Ausführungsform der Offenbarung kann die zweite Beschichtung 64 Chrom sein, die etwa 5 % bis etwa 30 % der Dicke der ersten Beschichtung 62 beträgt. In einer anderen Ausführungsform der Offenbarung kann die zweite Beschichtung 64 Aluminium sein, die etwa 5 % bis etwa 30 % der Dicke der ersten Beschichtung beträgt.
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3B zeigt eine alternative Konfiguration für die Mikrokugel 50. Die Mikrokugel 50 umfasst eine Basispolymer-, Glas- oder Keramikoberfläche 60, die zumindest teilweise von einer ersten Beschichtung bedeckt ist, die hauptsächlich Nickel oder Kobalt oder Eisen umfasst und durch stromloses Plattieren oder CVD aufgetragen wird. Die zweite Beschichtung 64 umfasst ein erstes Legierungselement, wie Chrom oder Aluminium, das die erste Beschichtung 62 zumindest teilweise bedeckt. Eine dritte Beschichtung 66 eines zweiten Legierungselements bedeckt die zweite Beschichtung 62 zumindest teilweise. In einer Ausführungsform der Offenbarung sind die Beschichtungsdicken so konfiguriert, dass sie das Verhältnis der Elemente der Ziellegierung ergeben. Eine Ausführungsform des Verhältnisses von Elementen kann eine Nickellegierung mit etwa 22 Gew.-% Chrom und etwa 10 Gew.-% Aluminium sein, um hohle Mikrokugeln 50 mit einem Durchmesser von 50 μm und einer Dicke von 1 μm zu erzeugen.
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Bei dieser Ausführungsform wird eine erste Beschichtung 62 von etwa 0,53 µm Nickel auf die Grundfläche 60 aufgetragen, gefolgt von einer zweiten Beschichtung 64 von etwa 21 µm Chrom und dann einer dritten Beschichtung 66 aus etwa 26 µm Aluminium. Nach dem Aufbringen der ersten Beschichtung 62, der zweiten Beschichtung 64 und der dritten Beschichtung 66 können die Mikrokugeln 50 einer Homogenisierungswärmebehandlung von etwa 1200 Grad Celsius (ºC) für 48 Stunden unterworfen werden, um die Elemente in den drei Beschichtungen zu interdiffundieren und eine homogene Legierung zu bilden. Eine optionale Alterungswärmebehandlung von etwa 900 Grad Celsius (ºC) für 8 Stunden oder eine ähnliche Zeit und Temperatur kann durchgeführt werden, um Präzipitate zu bilden, die die Nickellegierung verstärken.
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In einer anderen Ausführungsform wird die äußere Beschichtung, entweder die zweite oder dritte Beschichtung, abhängig davon, wie viele Beschichtungen aufgetragen werden, aus einer Gruppe von Materialien ausgewählt, die Zink (Zn), Kupfer (Cu), Silber (Ag) und Aluminium (Al) enthalten, die einen niedrigeren Schmelzpunkt als die erste Beschichtung zeigen und daher das Sintern der Mikrokugeln zueinander und auf die Substrat- und Dichtschicht fördern.
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Alternativ kann, wie in 3C gezeigt, die zweite Beschichtung 64 Nanopartikel enthalten, die Legierungselemente mit Durchmessern von etwa 20 Nanometern (nm) bis etwa 500 nm enthalten, auf die erste Beschichtung 62 aufgebracht werden. Die Nanopartikel, die Inconel® Legierungen, Nickelbasis-Superlegierungen oder Edelstahl enthalten können, können in die erste Beschichtung 62 unter Verwendung von Wärmebehandlungen zwischen etwa 1000 Grad Celsius (ºC) und etwa 1100 Grad Celsius (ºC) für einen Zeitraum von etwa 10 Stunden bis ca. 20 Stunden diffundiert werden. Die erste Beschichtung kann hauptsächlich Nickel, Kobalt oder Eisen umfassen, die durch stromloses Plattieren von CVD aufgetragen werden. Die Wärmebehandlungen können durchgeführt werden, nachdem eine TBC 16 Beschichtung auf ein Substrat aufgebracht worden ist, aber sie können auch vor dem Aufbringen auf das Substrat durchgeführt werden. In einer Ausführungsform der Offenbarung kann die zweite Beschichtung 64 aus Nanopartikeln aus Inconel®-Legierungs- oder Nickelbasis-Superlegierungspartikeln mit einem Durchmesser von etwa 20 nm bis etwa 200 nm bestehen, wobei die Beschichtung etwa 5 % bis etwa 30 % der Dicke der ersten Beschichtung 62 beträgt.
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Unter erneuter Bezugnahme auf 2 wird das Aufbringen der ersten oder Isolierschicht 46 auf die Oberfläche 42 des Substrats 40 detaillierter beschrieben. n einer Ausführungsform werden die Mikrokugeln 50 auf dem Substrat 40 platziert und bei einer erhöhten Temperatur gesintert, was eine Diffusion zwischen den Mikrokugeln selbst und dem Substrat gewährleistet. In einer anderen Ausführungsform werden die Mikrokugeln 50 in eine Aufschlämmung gegeben. Die Aufschlämmung kann aus einem Lösungsmittel, wie Wasser, und einem wasserlöslichen Bindemittel, beispielsweise Polyvinylalkohol, Polyvinylpyrrolidon oder Cellulosepolymerderivaten, gebildet sein. Ein organisches Lösungsmittel, wie 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 ein Polyvinylbutyralharz. Andere Aufschlämmungsadditive, beispielsweise Polyethylenglykol und Glycerin, können für rheologische Anpassungen, wie Entflockung, Schmierung und Entschäumung, verwendet werden, um die Packungswirksamkeit bei der Aufschlämmung zu maximieren.
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Vorzugsweise wird die Aufschlämmung zum Auftragen durch Zugabe von gerade genug Lösungsmittel, z. B. etwa 10 Milliliter (ml) für 10 Gramm (g) trockener Mikrokugeln 50 verflüssigt, und eine minimale Menge an Bindemittel wird ebenfalls zugegeben, um Restkohlenstoff nach dem Ausbrennen zu reduzieren. Die erste oder Isolierschicht 46 kann durch Auftragen einer Aufschlämmung der Mikrokugeln 50 auf die Oberfläche 42 des Substrats 40 durch Sprühbeschichten, Tauchen, Lackieren, Rakeln oder andere Verfahren aufgetragen werden.
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Nach dem Auftragen wird die Beschichtung getrocknet, um das Lösungsmittel zu entfernen und dann bei einer Temperatur gesintert, die eine Diffusion zwischen den Mikrokugeln 50 selbst und zwischen den Mikrokugeln 50 und dem Substrat 40 gewährleistet. Das Sintern wird typischerweise in einer inerten oder reduzierenden Atmosphäre durchgeführt. Die organischen Komponenten der Aufschlämmung können entweder während einer separaten Burn-out-Wärmebehandlung in Luft bei 400–600 Grad Celsius (ºC) vor dem Sintern oder während des Sinterschrittes entfernt werden.
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Unter Bezugnahme auf die 4A und 4B können in einer Ausführungsform der Offenbarung Mikrokugeln 50, die mindestens eine Beschichtung, wie die erste Beschichtung 62 und die zweite Beschichtung 64, umfassen, mit Partikeln 54 einer matrixbildenden Legierung kombiniert werden, die allgemein mit dem Bezugszeichen 56 bezeichnet wird, um auf die Oberfläche 42 des Substrats 40 aufgebracht zu werden. 4A veranschaulicht einen Teil des TBC 16 vor dem Erwärmen, wobei die Partikel 54 in Hohlräumen zwischen benachbarten Mikrokugeln 50 angeordnet sind. Die Partikel 54 kombinieren in der Matrix 56 mit Mikrokugeln 50, um die strukturelle Haltbarkeit und Robustheit der Isolierschicht zu erhöhen. Es ist vorgesehen, dass die Partikel 54 der Aufschlämmung zugesetzt werden können, um die Matrix 56 zu bilden.
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Um die Festigkeit der ersten Beschichtung 62 und/oder der zweiten Beschichtung 64 zu erhöhen, kann entweder die Dicke der Mikrokugeln 50 oder der Volumenanteil der Matrix 56 erhöht werden. Bei der Wärmebehandlung erzeugen die matrixbildenden Partikel 54 die Matrix 56, deren Dichte von dem Volumenanteil des Matrixmaterials 56 abhängen kann. Die matrixbildenden Partikel 54 können einen Durchmesser von weniger als 50 μm aufweisen und können nicht mehr als etwa 10 Gew.-% bis etwa 20 Gew.-% der Isolierschicht 46 ausmachen. Die weiteren Partikel 54 und die Matrix 56 können einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweisen, beispielsweise weniger als 1100 Grad Celsius (ºC), als die Mikrokugeln 50, um das Sintern der Matrix 56 zu ermöglichen oder eine kleine Menge an flüssiger Phase zu erzeugen, um angrenzende Mikrokugeln miteinander zu verschmelzen und die Flüssigkeit über die erste Beschichtung 62 und/oder die zweite Beschichtung 64 zu verteilen.
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Nicht beschränkende Beispiele für Materialien für die Partikel 54 umfassen Aluminiumlegierungen, reines Aluminium, Nickel-Legierungen mit etwa 1 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% Bor (B), Nickel-Legierungen mit etwa 1 Gew.-% Gewicht bis etwa 10 Gew.-% Phosphor (P), Nickellegierungen mit etwa 1 Gew.-% bis etwa 15 Gew.-% Silizium (Si) oder Mischungen davon. Es ist auch vorgesehen, dass die Partikel 54 zusätzliche Legierungselemente enthalten können, einschließlich Chrom, Aluminium, Kobalt, Molybdän, Wolfram, Tantal, Titan, Zirkonium, Hafnium und/oder Yttrium.
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Eine Beschichtung der Aufschlämmung wird auf die Oberfläche 42 des Substrats 40 der Komponente 14 aufgebracht, wie beispielsweise ein Kolbenkopf, ein Ventil oder eine Auslassöffnung. Die Beschichtung kann durch eine Anzahl von nicht einschränkenden Verfahren angewendet werden, einschließlich Sprühbeschichten, Tauchen, Lackieren, Rakeln und dergleichen auf eine Beschichtungsdicke zwischen etwa 100 µm und 1 mm. Die Aufschlämmungsbeschichtung 52 kann bei einer Temperatur von etwa 100 Grad Celsius (ºC) bis etwa 300 Grad Celsius (ºC) für etwa 1 Stunde bis etwa 5 Stunden erhitzt werden, um die Beschichtung zu trocknen.
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Die Aufschlämmungsbeschichtung der hohlen Mikrokugeln 50 kann unter Druck geformt oder gesintert werden, während sie über eine Formungszeit erwärmt wird, bis die Isolierschicht 46 ausgebildet ist. So kann beispielsweise die Aufschlämmung bei einer Temperatur von etwa 800 Grad Celsius (ºC) bis etwa 1100 Grad Celsius (ºC) für etwa 2 bis etwa 20 Stunden gesintert werden. Während der Sinterwärmebehandlung verschmelzen die Mikrokugeln 50 zusammen mit dem Substrat, um die strukturelle Integrität zu verbessern. Das Diffusionsmischen der Legierungselemente und des Nickel-Basismetalls kann zu einer Nickellegierung mit mehr als 10 Gew.-% Chrom und mehr als 4 Gew.-% Aluminium und einem Verhältnis von Aluminium zu Chrom größer als 0,25 führen, um ein Aluminiumoxid für Oxidationswiderstand bei Temperaturen über 900 Grad Celsius (ºC) zu bilden. Wenn Eisen oder Kobalt als Basismaterial anstelle von Nickel gewählt wird, können ähnliche Fe-Cr-Al- oder Co-Cr-Al-Legierungen verwendet werden, um ähnliche Ergebnisse zu erzielen.
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Unter Bezugnahme nun auf 5A und 5B wird die Dichtungsschicht 48 auf die Isolierschicht 46 aufgebracht, sodass sich die Isolierschicht 46 zwischen der Dichtungsschicht 48 und der Oberfläche 42 des Substrats 40 der Komponente 14 befindet. Die Dichtschicht 48 kann aus einem heißen dünnen Film bestehen. Genauer gesagt umfasst die Dichtschicht 48 Material, das dafür konfiguriert ist, Temperaturen von mindestens 1.100 Grad Celsius (ºC) auszuhalten. Die Dichtschicht 48 kann so konfiguriert sein, dass sie eine Dicke zwischen etwa 1 µm bis etwa 20 µm aufweist.
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Die Dichtschicht 48 kann für Brenngase undurchlässig sein, sodass zwischen der Dichtschicht 48 und der Isolierschicht 46 eine Versiegelung gegeben ist. Eine solche Abdichtung verhindert, dass Fremdkörper aus Brenngasen (wie nicht verbrannte Kohlenwasserstoffe, Ruß, teilweise umgesetzter Kraftstoff, flüssiger Kraftstoff und dergleichen) in die poröse Struktur eindringen, welche durch die hohlen Mikrokugeln 50 definiert wird. Wenn solche Fremdkörper in die poröse Struktur der Isolierschicht 46 eindringen könnten, würde Luft, die sich in der porösen Struktur befindet, durch die Fremdkörper verdrängt, was die isolierenden Eigenschaften der Isolierschicht 46 verringern oder eliminieren würde.
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Die Dichtschicht 48 kann so konfiguriert sein, dass sie eine glatte Außenfläche 68 aufweist. Eine glatte Dichtschicht 48 kann wichtig sein, um die Erzeugung eines turbulenten Luftstroms zu verhindern, während die Luft an der Außenfläche 68 von Dichtschicht 48 entlang strömt. Ferner verhindert eine Dichtschicht 48 mit glatter Oberfläche, dass sich der Wärmeübertragungskoeffizient erhöht. In einem nicht einschränkenden Beispiel kann die Dichtschicht 48 per Galvanisierung auf die Isolierschicht 46 aufgebracht werden. In einem anderen nicht beschränkenden Beispiel kann die Dichtschicht 48 ein dünner Film sein, der aus Metallen besteht, die Nickel, Nickel-Legierung, Kobalt-Legierung, Eisen-Legierung oder Stahl umfassen, der gleichzeitig mit oder nach dem Sintern der Isolierschicht 46 auf die Isolierschicht aufgebracht wird.
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Die Dichtschicht 48 ist so konfiguriert, dass sie nachgiebig genug ist, um bei Exposition gegenüber Fremdkörpern nicht zu brechen oder zu reißen. Ferner ist die Dichtschicht 48 dafür konfiguriert, nachgiebig genug zu sein, um einem Ausdehnen und/oder Schrumpfen der darunter liegenden Isolierschicht 46 standzuhalten. Ferner sind die Isolier- und Dichtschichten 46 und 48 jeweils so konfiguriert, dass sie Eigenschaften mit einem kompatiblen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, um thermischer Ermüdung standzuhalten.
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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. Während 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.
