DE102018132997A1

DE102018132997A1 - Spaltfüllung dichtungsschicht von wärmedämmschicht

Info

Publication number: DE102018132997A1
Application number: DE102018132997.0A
Authority: DE
Inventors: Michael J. Walker; Paul M. Najt; Russell P. Durrett; Peter P. Andruskiewicz IV
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2017-12-21
Filing date: 2018-12-19
Publication date: 2019-06-27
Also published as: CN109943847A; US20190194812A1

Abstract

Es ist eine mehrschichtige Wärmedämmschicht vorgesehen, die eine Isolierschicht mit einer Außenfläche beinhaltet, die eine Vielzahl von Fugen darin definiert, und eine Dichtungsschicht, die mit der Außenfläche der Isolierschicht verbunden ist. Die Dichtungsschicht ist im Wesentlichen undurchlässig und zum Abdichten gegen die Isolierschicht ausgebildet. Die Dichtungsschicht füllt mindestens einen Teil der Fugen. Es wird auch ein Verfahren zum Ausbilden einer Wärmedämmschicht bereitgestellt, das einen Schritt des Bereitstellens einer Vielzahl von miteinander verbundenen hohlen runden Mikrostrukturen beinhaltet, die jeweils einen Durchmesser im Bereich von etwa 10 Mikrometer bis etwa 100 Mikrometer aufweisen, um eine Isolierschicht zu erzeugen. Das Verfahren beinhaltet ferner das Abscheiden einer Vielzahl von Metallpartikeln auf der Isolierschicht und das Erwärmen der Vielzahl von Metallpartikeln, um eine im Wesentlichen undurchlässige Dichtungsschicht über der Isolierschicht zu bilden.

Description

ERKLÄRUNG ZU STAATLICH GEFÖRDERTEN FORSCHUNGS- ODER ENTWICKLUNGSPROJEKTEN
Diese Erfindung wurde mit staatlicher Unterstützung unter Vertrag Nr. DE-EE0007754, vergeben vom US-Energieministerium, getätigt. Die Regierung hält bestimmte Rechte an dieser Erfindung.
TECHNISCHES GEBIET
Die Offenbarung betrifft im Allgemeinen eine Schicht einer Wärmedämmung, die als eine Wärmedämmschicht (WDS) bezeichnet werden kann, zum Schutz von Komponenten, die Hochtemperaturgasen ausgesetzt sind, und ein Verfahren zur Bildung derselben.
EINLEITUNG
Verbrennungsmotoren beinhalten eine Vielzahl von Zylindern, eine Vielzahl von Kolben, mindestens eine Einlassöffnung und mindestens eine Auslassöffnung. Die Zylinder beinhalten jeweils Oberflächen, die eine Brennkammer angeben. Eine oder mehrere Oberflächen des Verbrennungsmotors können mit Wärmedämmschichten oder mehrschichtigen Wärmedämmschichten beschichtet werden, um die Wärmeübertragungseigenschaften des Verbrennungsmotors zu verbessern und den Wärmeverlust innerhalb der Brennkammer zu minimieren. Beispielsweise ist ein solches Beschichtungssystem erwünscht, um die heißen Verbrennungsgase vom kalten, wassergekühlten Motorblock zu isolieren und um einen Energieverluste durch Übertragung von Wärme von den Verbrennungsgasen auf das Kühlwasser zu vermeiden.
Eine Dichtungsschicht kann über einer Isolierschicht bereitgestellt werden, um die Komponente effektiv gegen die in den Verbrennungsgasen vorhandenen Partikel abzudichten. Zusätzlich sollte die Oberfläche des Beschichtungssystems der Temperatur der Verbrennungsgase folgen, einschließlich rascher Abkühlung, um das Aufheizen des Kraftstoff-Luft-Gemisches vor der Zündung zu vermeiden, um ein Klopfen zu vermeiden. Daher ist die Dichtungsschicht als eine sehr dünne Schicht vorgesehen, die der Temperatur der benachbarten Gase folgen kann. Angesichts der Porosität der Isolierschicht haftet die sehr dünne Dichtungsschicht jedoch nur an einem Teil der Oberfläche der Isolierschicht. Angesichts der geringen Dicke der Dichtungsschicht kann die Dichtungsschicht unter extremen Bedingungen in der Brennkammer abbrechen.
KURZDARSTELLUNG
Die vorliegende Offenbarung stellt eine Dichtungsschicht bereit, die Spalten oder Fugen entlang einer Außenkante der Isolierschicht füllt. So kann beispielsweise die Dichtungsschicht aus einem feinen Pulver hergestellt sein, das die Spalten und/oder Fugen entlang der Kante der Isolierschicht füllt, wodurch ein robusterer Oberflächenkontakt zwischen der Isolierschicht und der Dichtungsschicht geschaffen wird, sodass sich die Dichtungsschicht effektiv mit einem wesentlichen Großteil der Außenfläche der Isolierschicht verbindet.
In einem Beispiel ist eine Wärmedämmschicht vorgesehen, die auf eine Oberfläche einer oder mehrerer Komponenten innerhalb eines Verbrennungsmotors aufgebracht werden kann. Die Wärmedämmschicht ist mit der/den Komponente(n) des Motors verbunden, um eine niedrige Wärmeleitfähigkeit und eine geringe Wärmekapazität zu gewährleisten, die gegen Verbrennungsgase abgedichtet ist. Die Wärmedämmschicht beinhaltet eine Isolierschicht und eine Dichtungsschicht, die auf der Isolierschicht angeordnet ist, worin die Dichtungsschicht Fugen entlang der Kante der Isolierschicht füllt.
Die Wärmedämmschicht oder die mehrschichtige Wärmedämmschicht können zwei, drei, vier oder mehr miteinander verbundene Schichten mit mindestens einer Isolierschicht und einer Dichtungsschicht beinhalten. Unter der Isolierschicht kann ebenfalls eine Bindeschicht vorgesehen sein, wobei in diesem Fall die Isolierschicht zwischen der Bindeschicht und der Dichtungsschicht angeordnet wäre. Die innerste Schicht ist mit der Komponente verbunden.
Die Wärmedämmschicht weist eine geringe Wärmeleitfähigkeit auf, um Wärmeübertragungsverluste zu reduzieren, und eine geringe Wärmekapazität, sodass die Oberflächentemperatur der Wärmedämmschicht der Gastemperatur in der Brennkammer folgt. Somit ermöglicht die Wärmedämmschicht, dass Oberflächentemperaturen der Komponente mit den Gastemperaturen schwingen. Dies reduziert Wärmeübertragungsverluste, ohne die Atmungsaktivität des Motors zu beeinträchtigen und ohne Klopfen zu verursachen. Ferner wird das Aufheizen von kalter Luft, die in den Zylinder des Motors eintritt, verringert. Zusätzlich wird die Abgastemperatur erhöht, was zu einer schnelleren Katalysatorauszeit und einer verbesserten Katalysatoraktivität führt.
In einer Form, die mit den anderen hierin beschriebenen Formen kombiniert oder getrennt werden kann, ist eine mehrschichtige Wärmedämmschicht vorgesehen, die mindestens eine Isolierschicht und eine Dichtungsschicht beinhaltet. Die Isolierschicht umfasst eine Vielzahl von hohlen runden Mikrostrukturen, die miteinander verbunden sind und eine äußere Schicht von Mikrostrukturen definieren, die entlang einer Außenkante der Isolierschicht angeordnet sind. Die äußere Schicht von Mikrostrukturen definiert eine Vielzahl von Fugen zwischen angrenzenden Mikrostrukturen entlang der Außenkante. Die Dichtungsschicht ist mit der äußeren Schicht von Mikrostrukturen verbunden, wobei die Dichtungsschicht undurchlässig und gegen die äußere Schicht von Mikrostrukturen abdichtend ausgebildet ist. Die Dichtungsschicht füllt mindestens einen Teil der Fugen.
In einer anderen Form, die mit den anderen hierin offenbarten Formen kombiniert oder getrennt werden kann, ist eine mehrschichtige Wärmedämmschicht vorgesehen, die eine Bindeschicht, eine Isolierschicht und eine Dichtungsschicht beinhaltet. Die Bindeschicht ist so konfiguriert, dass sie mit einem Metallsubstrat verbunden ist. Die Isolierschicht ist mit der Bindeschicht verbunden, wobei die Isolierschicht eine Außenfläche aufweist, die eine Vielzahl von Fugen darin definiert. Die Dichtungsschicht ist mit der Außenfläche der Isolierschicht verbunden. Die Dichtungsschicht ist im Wesentlichen undurchlässig und zum Abdichten gegen die Isolierschicht ausgebildet. Die Dichtungsschicht füllt mindestens einen Teil der Fugen.
In noch einer anderen Ausführungsform, die mit den anderen hierin offenbarten Formen kombiniert oder von diesen getrennt werden kann, wird ein Verfahren zum Formen einer Wärmedämmschicht bereitgestellt. Das Verfahren beinhaltet einen Schritt des Bereitstellens einer Vielzahl von miteinander verbundenen hohlen runden Mikrostrukturen, die jeweils einen Durchmesser im Bereich von etwa 10 Mikrometer bis etwa 100 Mikrometer aufweisen, um eine Isolierschicht zu erzeugen. Das Verfahren beinhaltet ferner einen Schritt des Abscheidens einer Vielzahl von Metallpartikeln auf der Isolierschicht, und das Verfahren beinhaltet einen Schritt des Erwärmens der Vielzahl von Metallpartikeln, um eine im Wesentlichen undurchlässige Dichtungsschicht über der Isolierschicht zu bilden.
Zusätzliche Eigenschaften können optional bereitgestellt werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Folgende: die Dichtungsschicht ist aus einer Vielzahl von Metallpartikeln gebildet; die Dichtungsschicht hat einen Schmelzpunkt der Dichtungsschicht und die Isolierschicht hat einen Schmelzpunkt der Isolierschicht, wobei der Schmelzpunkt der Dichtungsschicht niedriger als der Schmelzpunkt der Isolierschicht ist; jede Mikrostruktur besteht im Wesentlichen aus Nickel; die Dichtungsschicht besteht aus einer Legierung aus Nickel und Kupfer; worin jedes Metallpartikel kleiner ist als jede Mikrostruktur von mindestens einem wesentlichen Großteil der Mikrostrukturen; die Dichtungsschicht erstreckt sich nicht mehr als 5 Mikrometer von der Isolierschicht nach außen; die Isolierschicht hat eine Dicke zwischen 75 und 300 Mikrometer; wobei jede Mikrostruktur eine Breite oder einen Durchmesser von nicht mehr als 100 Mikrometer hat; wobei jede Mikrostruktur eine Breite oder einen Durchmesser im Bereich von etwa 40 bis etwa 50 Mikrometer hat; eine Bindeschicht, die ausgelegt ist, um mit einem Metallsubstrat verbunden zu werden; die Isolierschicht ist mit der Bindeschicht verbunden; die die Bindeschicht beinhaltet ein Material auf Kupferbasis, ein Material auf Zinkbasis, eine Legierung aus Kupfer und Zink oder ein beliebiges anderes Material, vorzugsweise mit einer niedrigeren Schmelztemperatur als die Isolierschicht und das die Bindung an das Substrat verbessert; wobei jede Mikrostruktur ein Material auf Nickelbasis und/oder ein Material auf Eisenbasis beinhaltet; und die Isolierschicht eine Porosität von mindestens 90 % aufweist.
Weitere zusätzliche Eigenschaften können bereitgestellt werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Folgendes: Bereitstellen der Vielzahl von hohlen runden Mikrostrukturen, um eine äußere Schicht aus Mikrostrukturen zu definieren, die entlang einer Außenkante der Isolierschicht angeordnet sind; die äußere Schicht von Mikrostrukturen definiert eine Vielzahl von Fugen zwischen angrenzenden Mikrostrukturen entlang der äußeren Schicht; Anordnen mindestens eines Teils der Vielzahl von Metallpartikeln in den Fugen; das Bereitstellen einer Bindeschicht, die zum Binden mit dem Metallsubstrat ausgelegt ist; Verbinden der Isolierschicht mit der Bindeschicht; und Durchführen des Schritts des Erwärmens der Dichtungsschicht durch Laserabtastung, Laserschweißen, Strahlung oder induktives Erwärmen.
Des Weiteren kann eine Komponente bereitgestellt werden, die ein Metallsubstrat umfasst, das eine Oberfläche bereitstellt, wobei eine Version der mehrschichtigen Wärmedämmschicht mit der Oberfläche des Substrats verbunden ist. Die Komponente kann beispielsweise eine Ventilfläche oder eine Kolbenkrone sein. Darüber hinaus zieht die vorliegende Offenbarung einen Verbrennungsmotor in Betracht, der eine solche Komponente umfasst, auf der eine beliebige Version der Wärmedämmschicht angeordnet oder daran gebunden ist, worin die Komponente zum Aussetzen von Verbrennungsgasen ausgelegt ist.
Die vorstehenden Merkmale und Vorteile sowie weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Lehren lassen sich leicht aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der besten Durchführungsarten der vorliegenden Lehren ableiten, wenn diese in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen betrachtet werden.
Figurenliste
Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen lediglich der Veranschaulichung und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise einschränken.

1 ist eine schematische Seitenquerschnittsansicht eines Abschnitts eines Antriebssystems mit einem Zylinder eines Verbrennungsmotors, der eine auf einer Vielzahl von Komponenten angeordnete Wärmedämmschicht gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung aufweist;
2 ist eine schematische Seitenquerschnittsansicht eines weiteren Beispiels der Wärmedämmschicht, die auf den Komponenten von 1 gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung angeordnet ist;
3 ist eine vergrößerte schematische Querschnittsseitenansicht eines Abschnitts der Wärmedämmschicht von 2 entlang der Linie 3-3 gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung;
4 ist eine schematische Querschnittsseitenansicht eines weiteren Beispiels der Wärmedämmschicht, die auf den Komponenten von 1 angeordnet ist, gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung; und
5 ist ein Blockdiagramm, das ein Verfahren zum Bilden einer Wärmedämmschicht gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Fachleute auf dem Gebiet werden erkennen, dass Begriffe, wie „über“, „unter“, „nach oben“, „nach unten“, „oben“, „unten“ usw. beschreibend für die Figuren verwendet werden und keine Einschränkungen des Umfangs der durch die hinzugefügten Ansprüche definierten Offenbarung darstellen.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, worin in mehreren Ansichten gleiche Bezugszeichen auf gleiche Komponenten verweisen, stellt 1 einen Abschnitt eines exemplarischen Fahrzeugantriebssystems 10 dar, das einen Motor 13 mit einer Komponente 12 aufweist. Die Komponente 12 weist eine darauf aufgebrachte Wärmedämmschicht (WDS) 14 der hierin offenbarten Art auf. Die Wärmedämmschicht 14 kann als Verbundwärmedämmschicht oder mehrschichtige Wärmedämmschicht in Formen bezeichnet werden, die mehrere miteinander verbundene Schichten aufweisen. So kann beispielsweise die WDS 14 eine konstruierte Oberfläche aus einer Vielzahl von Schichten sein, die im Folgenden ausführlicher beschrieben werden.
Während der Motor 13 aus 1 eine typische Beispielanwendung darstellt, die für die hierin offenbarte Wärmedämmschicht 14 geeignet ist, ist das vorliegende Design jedoch nicht auf Fahrzeug- und/oder Motoranwendungen beschränkt. Jede stationäre oder mobile Maschine oder Fertigung, bei der eine Komponente derselben Wärme ausgesetzt ist, kann von der Verwendung der vorliegenden Konstruktion profitieren.
1 veranschaulicht einen Motor 13, der einen einzelnen Zylinder 26 definiert. Fachleute auf dem Gebiet werden jedoch erkennen, dass die vorliegende Offenbarung auch auf Komponenten 12 der Motoren 13 mit mehreren Zylindern 26 angewendet werden kann. Jeder Zylinder 26 definiert eine Brennkammer 30. Der Motor 13 ist ausgelegt, um Energie für das Antriebssystem 10 des Fahrzeugs bereitzustellen. Der Motor 13 kann einen Dieselmotor umfassen, ist jedoch nicht darauf beschränkt.
Der Motor 13 beinhaltet ferner eine Einlassanordnung 36 und einen Ansaugkrümmer 38, die jeweils in Fluidverbindung mit der Brennkammer 30 stehen. Der Motor 13 beinhaltet einen Hubkolben 28, der innerhalb des Zylinders 26 verschiebbar beweglich ist.
Die Brennkammer 30 ist zum Verbrennen eines Luft-Kraftstoff-Gemischs ausgelegt, um Energie an das Antriebssystem 10 bereitzustellen. Luft kann in die Brennkammer 30 des Motors 13 eintreten, indem sie durch die Einlassanordnung 36 läuft, wobei der Luftstrom vom Ansaugkrümmer in die Brennkammer 30 durch mindestens ein Einlassventil 32 gesteuert wird. Kraftstoff wird in die Brennkammer 30 eingespritzt, um sich mit der Luft zu vermischen oder wird durch das/die Einlassventil(e) 32 eingeleitet, das ein Luft-Kraftstoff-Gemisch vorsieht. Das Luft-Kraftstoff-Gemisch wird innerhalb der Brennkammer 30 gezündet. Die Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemischs erzeugt Abgas, das aus der Brennkammer 30 austritt und in den Abgaskrümmer 38 gezogen wird. Insbesondere wird der Luftstrom (Abgasstrom) aus der Brennkammer 30 durch mindestens ein Auslassventil 34 gesteuert.
Unter Bezugnahme auf die 1 und 2 kann die Wärmedämmschicht 14 auf einer Fläche oder Oberfläche einer oder mehrerer der Komponenten 12 des Motors 13 angeordnet sein, z. B. der Kolben 28, das Einlassventil 32, das Auslassventil 34, Innenwände des Abgaskrümmers 38 und/oder des Verbrennungsdorns 39 und dergleichen. Die Wärmedämmschicht 14 ist mit der Komponente 12 verbunden, um einen Isolator zu bilden, der zur Reduzierung von Wärmeübertragungsverlusten, zur Erhöhung des Wirkungsgrades und zur Erhöhung der Abgastemperatur während des Betriebs des Motors 13 ausgelegt ist. Die Wärmedämmschicht 14 ist auf eine niedrige Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität ausgelegt. Die niedrige Wärmeleitfähigkeit reduziert Wärmeübertragungsverluste und die niedrige Wärmekapazität führt dazu, dass die Oberfläche der Wärmedämmschicht 14 der Temperatur des Gases während Temperaturschwankungen folgt und das Erwärmen der Kühlluft, die in die Zylinder eintritt, minimiert wird.
Unter Bezugnahme auf 2 beinhaltet jede Komponente 12 ein Substrat 16 mit einer Oberfläche 18, wobei die Wärmedämmschicht 14 mit der Oberfläche 18 des Substrats 16 verbunden ist. Die Wärmedämmschicht 14 kann beispielsweise zwei, drei, vier oder mehr Schichten beinhalten. Die Wärmedämmschicht 14 beinhaltet in 2 drei Schichten, z. B. eine erste optionale (Binde-)Schicht 20, eine zweite (Isolier-)Schicht 22 und eine dritte (Dichtungs-)Schicht 24.
Die Haftschicht 20 ist so ausgebildet, dass sie mit der Oberfläche 18 des Substrats 16 und der Isolierschicht 22 verbindet, sodass die Isolierschicht 22 am Substrat 16 befestigt ist. In einem nicht einschränkenden Beispiel ist die Bindeschicht 20 so ausgelegt, dass sie in die Oberfläche 18 des Substrats 16 sowie in die Isolierschicht 22 eindiffundiert, um beide miteinander zu verbinden.
In einem nicht einschränkenden Beispiel umfasst das Substrat 16 eine Aluminiumlegierung, die Isolierschicht 22 umfasst Nickel oder Eisen und die Bindeschicht 20 umfasst Kupfer und/oder Messing (ein Kupfer-Zink-Legierungsmaterial (Cu-Zn-Legierungsmaterial)). Kupfer und Messing erzeugen eine optimale Bindefestigkeit, optimale Wärmeausdehnungseigenschaften, Wärmebehandlungsprozesse, Ermüdungsbeständigkeit und dergleichen. Darüber hinaus weisen Kupfer und Zink eine gute Löslichkeit in Aluminium, Nickel und Eisen auf, während Eisen und Nickel eine sehr geringe Löslichkeit in Aluminium aufweisen. Eine Bindeschicht 20 mit Kupfer- und/oder Messingkombinationen stellt somit eine Zwischenstrukturschicht bereit, die die Diffusionsverbindung zwischen dem angrenzenden Aluminiumsubstrat 16 und der angrenzenden Nickel- oder Eisenisolierschicht 22 begünstigt. Es sollte jedoch beachtet werden, dass das Substrat 16, die Isolierschicht 22 und die Bindeschicht 20 nicht auf Aluminium, Nickel, Eisen, Kupfer und Messing beschränkt sind, sondern andere Materialien umfassen können. In einer anderen Variation beinhaltet das Substrat 16 beispielsweise Eisen oder besteht im Wesentlichen aus Eisen.
Eine Seite der Bindeschicht 20 kann über die Oberfläche 18 des Substrates 16 angeordnet werden, sodass die Bindeschicht 20 zwischen dem Substrat 16 und der Isolierschicht 22 angeordnet ist. Bei einer Verklebetemperatur kann mindestens eine minimale Anwendungsdauer lang eine Druckkraft auf die Isolierschicht 22 und das Substrat 16 angewendet werden. Die Schmelztemperatur des Materials der Haftschicht 20 kann geringer sein als die Schmelztemperatur des Substrats 16 sowie des Materials der Isolierschicht 22. In einem weiteren Beispiel ist die Schmelztemperatur des Materials der Haftschicht 20 geringer als die Schmelztemperatur des Substrats 16 sowie des Materials der Isolierschicht 22. Ferner kann die erforderliche Verklebetemperatur geringer sein als die Schmelztemperatur des Materials des Substrats 16 und des Materials der Isolierschicht 22, jedoch hoch genug, um eine Diffusionsverbindung zwischen dem metallischen Material des Substrats 16 und dem metallischen Material der Haftschicht 20 sowie zwischen dem metallischen Material der Haftschicht 20 und dem metallischen Material der Isolierschicht 22 zu begünstigen.
Es sollte beachtet werden, dass die Haftschicht 20 auf die Isolierschicht 22 aufgebracht werden kann, bevor die Haftschicht 20 mit der Oberfläche 18 des Substrats 16 verbunden wird. Außerdem ist die Haftschicht 20 nicht darauf beschränkt, per Festkörperdiffusion mit der Oberfläche 18 des Substrats 16 und/oder der Isolierschicht 22 verklebt zu werden, da auch andere Haftverfahren, wie Benetzen, Löten und Kombinationen derselben verwendet werden können. Es sollte beachtet werden, dass jede gewünschte Anzahl von Bindeschichten 20 mit den gewünschten Eigenschaften aufgetragen werden kann, solange die Bindeschicht 20 als Ganzes mit der Isolierschicht 22 und dem Substrat 16 verbunden ist.
Die Isolierschicht 22 kann ein keramisches Material, wie etwa Zirkonoxid, stabilisiertes Zirkonoxid, Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Seltenerdaluminate, Oxidperowskite, Oxidspinell und Titanate umfassen. In anderen Variationen kann die Isolierschicht 22 aus porösem Aluminiumoxid gebildet sein, oder die Isolierschicht 22 kann aus einem Metall, wie beispielsweise Eisen oder Nickel, gebildet sein. In einigen Variationen kann die Isolierung eine Vielzahl von miteinander verbundenen hohlen Mikrostrukturen umfassen, die mit Bezug auf 4 ausführlicher dargestellt und beschrieben werden.
Die Isolierschicht 22 kann eine Porosität im Bereich von 50 % bis 90 % aufweisen, und in einigen Fällen überschreitet die Porosität der Isolierschicht 90 % oder sogar 95 %. Vorzugsweise beträgt die Porosität der Isolierschicht 22 mindestens 80 %, in manchen Fällen ist es vorzuziehen, dass die Porosität der Isolierschicht 22 mindestens 90 % beträgt, und außerdem ist es in einigen Fällen vorzuziehen, dass die Porosität der Isolierschicht 22 mindestens 95 % beträgt. Die hohe Porosität 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. Die Isolierschicht 22 ist vorzugsweise aus einem Material gebildet, das eine geringe effektive Wärmeleitfähigkeit aufweist, beispielsweise im Bereich von 0,1 bis 5 W/mK, und aus einem Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten ähnlich dem des Substrats 16.
Die Isolierschicht 22 könnte durch thermische Spritztechniken, wie beispielsweise Luftplasmaspritzen oder Hochgeschwindigkeits-Flammplasmaspritzen, angewendet werden. Im Fall einer porösen Aluminiumoxid-Isolierschicht 22 kann die Isolierschicht 22 durch Anodisieren gebildet werden.
Um die gewünschte Wärmedämmleistung zu erzielen, kann die Dicke der Isolierschicht 22 für bestimmte Anwendungen angepasst werden. So könnte beispielsweise eine größere Dicke T2 verwendet werden, wenn die Isolierschicht 22 aus einem Material mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit besteht, und eine geringere Dicke T2 könnte verwendet werden, wenn die Isolierschicht 22 aus einem Material mit einer geringeren Wärmeleitfähigkeit besteht. In einigen Beispielen weist die Isolierschicht 22 eine Dicke T2 im Bereich von 50 bis 1000 Mikrometer oder im Bereich von 50 bis 500 Mikrometer oder im Bereich von 75 bis 300 Mikrometer auf. In einigen Variationen ist die Isolierschicht 22 nicht größer als 250 Mikrometer.
Die Isolierschicht 22 ist für Drücke von mindestens 80 bar und in einigen Fällen mindestens 100 bar oder sogar mindestens 150 bar ausgelegt. Darüber hinaus ist die Isolierschicht 22 temperaturmäßig so ausgelegt, dass sie Oberflächentemperaturen von mindestens 500 Grad Celsius (°C) oder mindestens 800 °C oder sogar mindestens 1.100 °C standhält. Die Wärmekapazität der Wärmedämmschicht 14 kann dahingehend ausgelegt sein, dass die Oberfläche 18 des Substrats 16 nicht über 300 °C steigt.
Die Dichtungsschicht 24 ist über der Isolierschicht 22 angeordnet, sodass die Isolierschicht 22 zwischen der Dichtungsschicht 24 und entweder der Bindeschicht 20 der Oberfläche 18 oder des Substrats 16 angeordnet ist. Die Dichtungsschicht 24 ist ein hochtemperaturbeständiger, dünner Film. Genauer gesagt umfasst die Dichtungsschicht 24 Material, das dafür konfiguriert ist, Temperaturen von mindestens 1.100 °C auszuhalten. In einigen Formen kann die Dichtungsschicht 24 aus einem metallischen Material, wie beispielsweise Edelstahl, Nickel, Eisen, Nickellegierung, Kobaltlegierung, hochschmelzender Legierung, einer Nickel-Kupfer-Legierung oder einem anderen gewünschten Metall gebildet werden.
Die Dichtungsschicht 24 ist für Verbrennungsgase im Wesentlichen undurchlässig (oder weist eine sehr geringe Durchlässigkeit auf), sodass eine Abdichtung zwischen der Dichtungsschicht 24 und der Isolierschicht 22 vorgesehen ist. So kann beispielsweise die Dichtungsschicht 24 nicht mehr als 10 % porös sein. Eine solche Abdichtung verhindert, dass Schmutz von Verbrennungsgasen, wie etwa unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Ruß, teilweise umgesetzter Brennstoff, flüssiger Brennstoff und dergleichen, in die poröse Struktur der Isolierschicht 22 eintritt. Wenn derartiger Schmutz in die poröse Struktur gelangen würden, könnte die sich in der porösen Struktur befindliche Luft durch den Schmutz verdrängt und die Isoliereigenschaften der Isolierschicht 22 verringert oder eliminiert werden. Wenn Gase während jedes Verbrennungszyklus eindringen können, ist auch die Isolierqualität der Isolierschicht 22 wesentlich geringer. Daher ist die Dichtungsschicht 24 vorzugsweise im Wesentlichen undurchlässig für Gase, sowie für Feststoffe.
In einem nicht einschränkenden Beispiel kann die Dichtungsschicht 24 durch Elektroplattieren oder Aufdampfen oder durch einen anderen Prozess des Aufbringens eines Pulvermaterials auf die Isolierschicht 22 aufgebracht werden. In einem weiteren nicht einschränkenden Beispiel kann die Dichtungsschicht 24 gleichzeitig über das Sintern der Isolierschicht 22 auf die Isolierschicht 22 aufgebracht werden.
Die Dichtungsschicht 24 ist so ausgelegt, um ausreichend nachgiebig zu sein, um einen Bruch oder Reißen während des Aussetzens von Verbrennungsgasen, thermischer Ermüdung oder Ablagerungen zu widerstehen. Ferner ist die Dichtungsschicht 24 so ausgelegt, um ausreichend nachgiebig zu sein, um jeder Ausdehnung und/oder Kontraktion der darunterliegenden Isolierschicht 22 standzuhalten.
In einigen Formen ist die Dichtungsschicht 24 dünn, mit einer Dicke T3 von nicht mehr als 20 Mikrometern und in einigen Fällen nicht mehr als 5 Mikrometer. In manchen Fällen kann die Dicke T3 der Dichtungsschicht 24 jedoch beispielsweise so groß wie 50 Mikrometer sein. Somit kann T3 beispielsweise im Bereich von 3 bis 50 Mikrometer liegen.
3 bietet eine Querschnitts-Nahansicht entlang der Linien 3-3 in 2. Unter Bezugnahme auf 2 und 3 ist die Isolierschicht 22, wie oben erläutert, aus einem porösen Material gebildet. Als solches weist die Isolierschicht 22 eine Vielzahl von Poren 27 auf, die darin ausgebildet sind, und die Isolierschicht 22 weist eine Außenfläche 46 auf, die eine Vielzahl von Fugen 48 darin definiert. Die Fugen 48 sind Spalten oder Risse in der Außenfläche 46 der Isolierschicht 22, die durch das Vorhandensein von Poren 27 auf der Oberfläche 46 gebildet werden können.
Die Dichtungsschicht 24 füllt mindestens einen Teil der Fugen 48 in der Außenfläche 46 der Isolierschicht 22. So kann beispielsweise die Dichtungsschicht 24 aus Metallpartikeln 51, wie einem Metallpulver, gebildet sein. Die Metallpartikel 51 können in den Fugen 48 der Außenfläche 46 der Isolierschicht 22 abgeschieden werden. Um die Dichtungsschicht 24 zu bilden, kann die Dichtungsschicht 24 erwärmt werden, um einen äußeren Abschnitt 52 der Metallpartikel 51 zu schmelzen, wobei der äußere Abschnitt 52 der Metallpartikel zu einer kontinuierlichen Oberfläche 54 an der Außenkante 56 der Dichtungsschicht 24 geformt wird.
Unter Bezugnahme auf 4 ist die Komponente von 1 (hier als 12' bezeichnet) erneut mit einer anderen Variation der darauf angeordneten Wärmedämmschicht 14' dargestellt. Wiederum beinhaltet die Komponente 12' ein Substrat 16' mit einer Oberfläche 18', und die Wärmedämmschicht 14' ist mit der Oberfläche 18' des Substrats 16' verbunden. In diesem Beispiel beinhaltet die Wärmedämmschicht 14' zwei Schichten: eine Isolierschicht 22' und eine Dichtungsschicht 24'. Die Bindeschicht 20 wird weggelassen, und die Isolierschicht 22' ist direkt mit der Oberfläche 18' des Substrats 16' verbunden; jedoch sollte klar sein, dass die in 2 gezeigte Bindeschicht 20 zwischen der Isolierschicht 22' und dem Substrat 16', falls gewünscht, beinhaltet sein könnte.
In der Variation von 4 beinhaltet die Isolierschicht 22' eine Vielzahl von hohlen Mikrostrukturen 40, die miteinander verbunden oder gesintert sind, um eine Schicht mit extrem hoher Porosität zu erzeugen. Vorzugsweise kann die Porosität der Isolierschicht 22' mindestens etwa 80 % betragen. Vorzugsweise kann die Porosität der Isolierschicht 22' mindestens 90 % oder sogar 95 % betragen. Die hohe Porosität 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.
In einem Beispiel können die hohlen Mikrostrukturen 40 aus hohlen Polymer-, Metall-, Glas- und/oder Keramikzentren 45 bestehen, die kugelförmig, elliptisch oder oval sein können oder als solche beginnen können. Somit sind in einigen Beispielen die Mikrostrukturen 40 rund. Mindestens eine metallische Deckschicht 44 kann auf einer Außenfläche eines jeden Hohlzentrums 45 angeordnet werden; in einigen Fällen kann eine erste Metallbeschichtung mit einer zweiten Metallbeschichtung überzogen werden. Die metallische Deckschicht 44 kann Nickel (Ni), Eisen oder dergleichen beinhalten, allein oder in Kombination. Die metallische Deckschicht 44 kann auf der Außenfläche der Mikrostrukturen 40 durch Galvanisieren, Flammspritzen, Lackieren, stromloses Plattieren, Aufdampfen oder dergleichen aufgebracht werden.
Es ist zu beachten, dass beim Verkleben oder Sintern der metallisch beschichteten Mikrostrukturen 40 die aus Polymer, Metall und Glas bestehenden Hohlzentren 45 eine geringere Schmelztemperatur als die der metallischen Deckschicht 44 aufweisen und daher die Hohlzentren 45 schmelzen oder anderweitig zerfallen können, um Teil der metallischen Deckschicht 44 selbst zu werden, oder schmelzen und zu einem Materialklumpen innerhalb der hohlen Mikrostruktur 40 zu werden. Wenn die Schmelztemperatur des Hohlzentrums 45 jedoch höher ist als die Schmelztemperatur des Materials der metallischen Deckschicht 44, beispielsweise wenn das Hohlzentrum 45 aus einem keramischen Material gebildet wird, bleibt das Hohlzentrum 45 intakt und löst sich nicht auf oder wird absorbiert.
In den Fällen, in denen die Hohlzentren 45 aus Polymer, Metall und Glas gebildet werden, kann das Hohlzentrum 45 in Abhängigkeit von den Materialeigenschaften des Hohlzentrums 45 und einer auf die Mikrostrukturen 40 angewandten Sintertemperatur schmelzen. Daher ist die Metallbeschichtungsschicht 44A beim Schmelzen der Hohlzentren 45 keine „Beschichtung“ mehr, sondern wird zu einer Innenwand der Mikrostruktur 40. In einigen Beispielen können die Mikrostrukturen 40 daher dünnwandige hohle Metallstrukturen sein, ohne dass sich etwas in ihren Zentren befindet.
In Beispielen, in denen die Mikrostrukturen 40 rund oder elliptisch sind, wie in 4 dargestellt, können die hohlen Mikrostrukturen 40 einen Durchmesser D1 zwischen 5 und 100 Mikrometer, zwischen 20 und 100 Mikrometer oder zwischen 20 und 40 Mikrometer aufweisen. In einem anderen Beispiel liegt der Durchmesser D1 zwischen etwa 40 und etwa 50 Mikrometer. Es ist zu beachten, dass die Mikrostrukturen 40 nicht notwendigerweise den gleichen Durchmesser aufweisen, da eine Mischung von Durchmessern so gestaltet werden kann, dass eine gewünschte offene Porosität, z. B. Packungsdichte, erreicht wird, um der Isolierschicht 22' eine gewünschte Festigkeit zu verleihen.
Die Vielzahl der hohlen Mikrostrukturen 40 kann bei einer Sintertemperatur unter Druck für eine Formgebungsdauer geformt oder gesintert werden, bis zwischen den Deckschichten 44 benachbarter hohler Mikrostrukturen 40, welche die Isolierschicht 22 bilden, Bindungen gebildet werden.
Die Isolierschicht 22' definiert eine äußere Schicht 23 von Mikrostrukturen 40, die entlang einer Außenkante 46' der Isolierschicht 22' angeordnet sind. Die äußere Schicht 23 von Mikrostrukturen40 definiert eine Vielzahl von Fugen 48' zwischen angrenzenden Mikrostrukturen 40 entlang der Außenkante 46'. Die Fugen 48' sind Spalten zwischen angrenzenden Mikrostrukturen 40 entlang der Außenkante 46' der Isolierschicht 22'. Somit sind die Fugen 48' zwischen den Wänden 44 der angrenzenden Mikrostrukturen 40 angeordnet und erstrecken sich von einem äußersten Teil der Außenkante 46' in die Isolierschicht 22'.
Die Dichtungsschicht 24' füllt mindestens einen Teil der Fugen 48' entlang der Außenkante 46' der äußeren Schicht 23 der Mikrostrukturen 40 der Isolierschicht 22'. So kann beispielsweise die Dichtungsschicht 24' aus Metallpartikeln 51' gebildet werden, und die Metallpartikel 51' können in den Fugen 48' der äußeren Schicht 23 der Mikrostrukturen 40 abgeschieden werden. Jeder der Metallpartikel 51' kann kleiner als jede oder die meisten der Mikrostrukturen 40 sein, sodass die Metallpartikel 51' die Fugen 48' zwischen den Mikrostrukturen 40 füllen können. Ein äußerer Abschnitt 52' der Dichtungsschicht 24' kann an einer Außenkante 56' der Dichtungsschicht 24' zu einer kontinuierlichen Oberfläche 54' zusammengeschmolzen werden.
Um die Dichtungsschicht 24' zu bilden, können die Metallpartikel 51' entlang der Außenkante 56' der Isolierschicht 22' abgeschieden werden, einschließlich in den Fugen 48'. Dann können die Metallpartikel 51' erwärmt werden, um einen äußeren Abschnitt 52' der Metallpartikel 51' zu schmelzen, wodurch der äußere Abschnitt 52' der Metallpartikel 51' zu einer kontinuierlichen Oberfläche 54' an der Außenkante 56' der Dichtungsschicht 24' gebildet wird.
Die Dichtungsschicht 24' ist mit der äußeren Schicht 23 der Mikrostrukturen 40 verbunden. Die Dichtungsschicht 24' ist im Wesentlichen undurchlässig und ist so ausgelegt, dass sie gegen die äußere Schicht 23 der Mikrostrukturen 40 abdichtet, und die Dichtungsschicht 24' füllt mindestens einen Teil der Fugen 48'.
Unter Bezugnahme auf die Versionen der Wärmedämmschicht 14, 14', die in beiden 3 und 4 dargestellt sind, weist die Dichtungsschicht 24, 24' einen Schmelzpunkt der Dichtungsschicht auf und die Isolierschicht 22, 22' weist einen Schmelzpunkt der Isolierschicht auf. Der Schmelzpunkt der Dichtungsschicht ist niedriger als der Schmelzpunkt der Isolierschicht. Daher können während des Erwärmens des äußeren Abschnitts 52, 52' der Metallpartikel 51, 51' die Metallpartikel 51, 51' geschmolzen werden, um die kontinuierliche Oberfläche 54, 54' zu bilden, ohne die Mikrostrukturen 40 oder eine andere Konfiguration (wie in 2) der Isolierschicht 22, 22' zu schmelzen. So können beispielsweise die Mikrostrukturen 40 oder eine andere Konfiguration (wie in 2) der Isolierschicht 22, 22' im Wesentlichen aus Nickel bestehen, das einen Schmelzpunkt von etwa 1453 °C aufweist. Eine Nickel-Kupfer-Legierung kann für die Metallpartikel 51, 51' verwendet werden, und somit kann die Dichtungsschicht 24, 24' einen Schmelzpunkt zwischen 1085 und 1452 °C aufweisen, abhängig von der enthaltenen Menge an Kupfer. Dementsprechend kann das Erwärmen der Dichtungsschicht 24, 24' bei einer Temperatur zwischen den Schmelzpunkten der Isolierschicht 22, 22' und der Dichtungsschicht 24, 24' durchgeführt werden, um den äußeren Abschnitt 23, 23' der Metallpartikel 51, 51' der Dichtungsschicht 24, 24' zu schmelzen, ohne die Isolierschicht 22, 22' zu schmelzen.
Andere Materialien können alternativ für die Isolierschicht 22, 22' und die Dichtungsschicht 24, 24' verwendet werden. So kann beispielsweise die Isolierschicht 22, 22' aus einer Nickellegierung gebildet werden, die Kobalt, Chrom, Molybdän, Wolfram, Eisen und Magnesium enthält, sowie kleine Mengen an anderen Elementen, wie die Nickellegierung, die unter dem eingetragenen Warenzeichen Hastelloy® vertrieben wird und als C-276-Zusammensetzung gekennzeichnet ist. In anderen Formen können Edelstahl, Wolfram, Mo, Mn, Cr und Legierungen dieser zur Bildung der Isolierschicht 22, 22' verwendet werden. Vorzugsweise ergänzt das Material der Dichtungsschicht 24, 24' die Isolierung 22, 22' mit einem niedrigeren Schmelzpunkt als das Material der Isolierschicht 22, 22'. Daher kann in einem Beispiel die Isolierschicht 22, 22' (oder die darin enthaltenen Mikrostrukturen 40) aus Chrom gebildet sein, und die Dichtungsschicht 24, 24' kann aus einer Mangan-/Chromlegierung gebildet sein. In einem anderen Beispiel kann eine Molybdän-Isolierschicht 22, 22' mit einer Molybdän-/Titan-Dichtungsschicht 24, 24' verwendet werden. In einem anderen Beispiel kann eine Molybdän-Isolierschicht 22, 22' mit einer Molybdän-/Nickel-Dichtungsschicht 24, 24' verwendet werden. Dies sind nur einige mögliche Beispiele; andere Kombinationen von Materialien sind möglich, wie ternäre und viele andere Mehrkomponentenlegierungen.
Die Dichtungsschicht 24, 24' kann sich von der Isolierschicht 22, 22' um einen relativ kurzen Abstand nach außen erstrecken, wie etwa nicht mehr als 5 Mikrometer, während sich die gesamte Tiefe der Dichtungsschicht 24, 24' wesentlich tiefer in die Fugen 48, 48' erstreckt. Somit kann die Dichtungsschicht 24, 24' mit mehr Material in den Fugen 48, 48' gefestigt werden, wobei mehr Material mit den Oberflächen der äußeren Schicht 23 der Mikrostrukturen 40 verbunden wird, ohne die Dicke der Dichtungsschicht 24 an den Spitzen 50' der Mikrostrukturen 40 oder an den äußersten Teilen 50 der Außenfläche 46 der Isolierschicht 22 von 3 zu erhöhen.
Obwohl nicht dargestellt, könnte die Dichtungsschicht 24, 24' auch mehr als eine Schicht beinhalten, um die gewünschten Eigenschaften, z. B. die extrem hohe Temperaturbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit, bereitzustellen. So könnte beispielsweise eine separate obere Schicht den kontinuierlichen Abschnitt 52, 52' über den Rest der Metallpartikel 51, 51' bilden, falls gewünscht.
Es sollte verstanden werden, dass jede der hierin beschriebenen Variationen, Beispiele und Merkmale in Bezug auf eine der hierin beschriebenen Wärmedämmschichten 14, 14' auf eine der anderen hierin beschriebenen Wärmedämmschichten 14, 14' angewendet werden kann. Die Wärmedämmschichten 14, 14' können in jeder geeigneten Weise gebildet werden, was das Erwärmen der Isolierschicht 22, 22', der Bindeschicht 20 und der Dichtungsschicht 24, 24', wie durch Sintern, beinhalten kann.
Unter Bezugnahme auf 5 und unter weiterer Bezugnahme auf 4 ist ein Verfahren zum Bilden der Wärmedämmschicht 14' dargestellt und allgemein mit 100 bezeichnet. Es versteht sich, dass einige Abschnitte des beschriebenen Verfahrens 100 auch verwendet werden können, um die in den 2-3 dargestellte Wärmedämmschicht 14 zu bilden.
Das Verfahren 100 beinhaltet einen Schritt 102 des Bereitstellens einer Vielzahl von miteinander verbundenen hohlen runden Mikrostrukturen, die jeweils einen Durchmesser im Bereich von etwa 10 Mikrometer bis etwa 100 Mikrometer aufweisen, um eine Isolierschicht zu erzeugen, wie die Isolierschicht 22', die mit Bezug auf FIG: 4 gezeigt und beschrieben ist. Ferner ist die Isolierschicht 22' vorzugsweise mit einer Porosität von mindestens 90 % vorgesehen, wie vorstehend erläutert. Eine Bindeschicht kann auch optional vorgesehen sein, wie beispielsweise die Bindeschicht 20, die in 2 gezeigt ist, wobei die Bindeschicht 20 so ausgelegt ist, dass sie mit einem Metallsubstrat 16 verbunden ist. Wenn die Bindeschicht 20 beinhaltet ist, kann das Verfahren 100 das Verbinden der Isolierschicht 22, 22' mit der Bindeschicht 20 beinhalten.
Das Verfahren 100 beinhaltet einen weiteren Schritt 104 des Abscheidens einer Vielzahl von Metallpartikeln, wie der in 4 dargestellten Metallpartikel 51', auf die Isolierschicht, wie die Isolierschicht 22'. Die Metallpartikel 51' sind vorzugsweise kleiner als die hohlen runden Mikrostrukturen 40, sodass die Metallpartikel 51' zumindest teilweise die Spalten füllen und in den Fugen 48' angeordnet sind, die zwischen den Mikrostrukturen 40 entlang der Außenkante 46' der Isolierschicht 22' definiert sind.
Das Verfahren 100 beinhaltet ferner einen Schritt 106 des Erwärmens der Vielzahl von Metallpartikeln 51', um eine im Wesentlichen undurchlässige Dichtungsschicht 24' über der Isolierschicht 22' zu bilden. Die Dichtungsschicht 24' und die Metallpartikel 51', aus denen die Dichtungsschicht 24' hergestellt ist, weisen vorzugsweise einen Schmelzpunkt der Dichtungsschicht auf, der niedriger ist als ein Schmelzpunkt der Isolierschicht 22'. Die hohlen runden Mikrostrukturen 40 könnten beispielsweise aus reinem Nickel mit einem Schmelzpunkt von 1453 °C gebildet sein, und die Metallpartikel 51' könnten aus einer Nickel-Kupfer-Legierung gebildet sein, die einen Schmelzpunkt zwischen 1085 und 1453 °C aufweist, abhängig vom Kupfergehalt der Legierung. Wenn demnach Wärme auf die Außenseite 56' der Dichtungsschicht 24' aufgebracht wird, schmelzen die Metallpartikel 51' zusammen und bilden die kontinuierliche Oberfläche 54', ohne die hohlen runden Mikrostrukturen 40 zu beschädigen oder zu schmelzen. Die kontinuierliche Oberfläche 54' kann dann einer Schweißnaht oder einer plattierten Mikrostruktur ähnlich sein. Das Erwärmen des Metallpartikels 51' kann durch Laserabtastung, Laserschweißen, Strahlung, induktive Erwärmung und/oder additive Herstellungstechniken angewendet werden. Die Dichtungsschicht 24' wird vorzugsweise schnell geschmolzen und verfestigt, bevor die hohlen Mikrostrukturen 40 beschädigt oder zerstört werden, obwohl die äußersten Mikrostrukturen 40 Zeichen für das Schmelzen und Verfestigen aufweisen können. Innerhalb der Fugen 48' können einige der Metallpartikel 51' ungeschmolzen bleiben und ihre ursprüngliche Form beibehalten. Zusätzliche Diffusionsbindung an die darunterliegende Struktur 16 kann bei niedrigeren Temperaturen durchgeführt werden.
Es sollte beachtet werden, dass die hierin beschriebenen Wärmedämmschichten 14, 14' auch auf andere als die in einem Verbrennungsmotor vorhandenen Komponenten angewendet werden können. Insbesondere können die Wärmedämmschichten 14, 14' auf Komponenten von Raumfahrzeugen, Raketen, Spritzgießformen und dergleichen aufgebracht werden.
Die ausführliche Beschreibung und die Zeichnungen oder Figuren unterstützen und beschreiben die Offenbarung, während der Wirkungsbereich der Offenbarung jedoch einzig und allein durch die Patentansprüche definiert wird. Obwohl einige Beispiele der beanspruchten Offenbarung ausführlich beschrieben wurden, gibt es verschiedene alternative Konzepte und Beispiele zur Umsetzung der in den hinzugefügten Ansprüchen definierten Offenbarung. Darüber hinaus sollen die in den Zeichnungen dargestellten Beispiele oder die Merkmale von verschiedenen Beispiele, die in der vorliegenden Beschreibung erwähnt sind, nicht unbedingt als voneinander unabhängige Beispiele aufgefasst werden. Vielmehr ist es möglich, dass jedes der in einem der Beispiele beschriebenen Merkmale mit einem oder einer Vielzahl von anderen gewünschten Merkmalen aus anderen Beispielen kombiniert werden kann, was andere Beispielen zur Folge hat, die nicht in Worten oder durch Bezugnahme auf Zeichnungen beschrieben sind. Dementsprechend fallen derartige andere Beispiele in den Rahmen des Schutzumfangs der hinzugefügten Ansprüche.

Claims

Mehrschichtige Wärmedämmschicht, umfassend: eine Isolierschicht, umfassend eine Vielzahl von hohlen runden Mikrostrukturen, die miteinander verbunden sind und eine äußere Schicht von Mikrostrukturen definieren, die entlang einer Außenkante der Isolierschicht angeordnet sind, wobei die äußere Schicht der Mikrostrukturen eine Vielzahl von Fugen zwischen angrenzenden Mikrostrukturen entlang der Außenkante definiert; und eine Dichtungsschicht, die mit der äußeren Schicht von Mikrostrukturen verbunden ist, wobei die Dichtungsschicht im Wesentlichen undurchlässig und gegen die äußere Schicht von Mikrostrukturen abdichtend ausgebildet ist, wobei die Dichtungsschicht mindestens einen Teil der Fugen füllt.
Mehrschichtige Wärmedämmschicht nach Anspruch 1, worin die Dichtungsschicht aus einer Vielzahl von Metallpartikeln gebildet ist.
Mehrschichtige Wärmedämmschicht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Dichtungsschicht einen Schmelzpunkt der Dichtungsschicht aufweist und die Isolierschicht einen Schmelzpunkt der Isolierschicht aufweist, wobei der Schmelzpunkt der Dichtungsschicht niedriger ist als der Schmelzpunkt der Isolierschicht.
Mehrschichtige Wärmedämmschicht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin jede Mikrostruktur der Vielzahl von hohlen runden Mikrostrukturen im Wesentlichen aus Nickel besteht und die Dichtungsschicht aus einer Legierung besteht, die aus Nickel und Kupfer gebildet ist.
Mehrschichtige Wärmedämmschicht nach Anspruch 2, worin jedes Metallpartikel der Vielzahl von Metallpartikeln kleiner ist als jede Mikrostruktur von mindestens einer wesentlichen Mehrheit der Vielzahl von hohlen runden Mikrostrukturen, worin sich die Dichtungsschicht von der Isolierschicht um nicht mehr als 5 Mikrometer nach außen erstreckt, worin die Isolierschicht eine Dicke zwischen 75 und 300 Mikron aufweist, und worin jede Mikrostruktur der Vielzahl von hohlen runden Mikrostrukturen eine Breite von nicht mehr als 100 Mikrometer aufweist, worin die mehrschichtige Wärmedämmschicht ferner eine Bindeschicht umfasst, die zum Verbinden mit einem Metallsubstrat ausgelegt ist, die Isolierschicht mit der Bindeschicht verbunden ist, worin die Bindeschicht mindestens eines von einem kupferbasierten Material, einem aluminiumbasierten Material, einem zinkbasierten Material und einer Legierung umfassend Kupfer und Zink umfasst, und worin jede Mikrostruktur der Vielzahl von hohlen runden Mikrostrukturen mindestens eines von einem nickelbasierten Material und einem eisenbasierten Material umfasst.
Mehrschichtige Wärmedämmschicht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Isolierschicht eine Porosität von mindestens 90 % aufweist.
Komponente, umfassend ein Metallsubstrat, das eine Oberfläche aufweist, wobei die mehrschichtige Wärmedämmschicht gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche mit der Oberfläche verbunden ist.
Verbrennungsmotor, umfassend eine Komponente, die dafür ausgelegt ist, Verbrennungsgasen ausgesetzt zu werden, wobei die Komponente mit der mehrschichtigen Wärmedämmschichten nach einem der vorhergehenden Ansprüche verbunden ist.
Verfahren zum Bilden einer Wärmedämmschicht, das Verfahren umfassend: Bereitstellen einer Vielzahl von miteinander verbundenen hohlen runden Mikrostrukturen, die jeweils einen Durchmesser im Bereich von etwa 10 bis 100 Mikrometer aufweisen, um eine Isolierschicht zu erzeugen; Abscheiden einer Vielzahl von Metallpartikeln auf der Isolierschicht; und das Erwärmen der Vielzahl von Metallpartikeln, um eine im Wesentlichen undurchlässige Dichtungsschicht über der Isolierschicht zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend: das Bereitstellen der Vielzahl von Metallpartikeln mit einem Schmelzpunkt der Dichtungsschicht; das Bereitstellen der Vielzahl von runden hohlen Mikrostrukturen mit einem Schmelzpunkt der Isolierschicht, wobei der Schmelzpunkt der Dichtungsschicht niedriger ist als der Schmelzpunkt der Isolierschicht; Bilden jeder Mikrostruktur aus im Wesentlichen reinem Nickel; Bilden jedes Metallpartikels aus einer Nickel-Kupfer-Legierung; Bereitstellen jedes Metallpartikels der Vielzahl von Metallpartikeln als kleiner als jede Mikrostruktur von mindestens einer wesentlichen Mehrzahl der Vielzahl von hohlen runden Mikrostrukturen; Bereitstellen der Isolierschicht mit einer Porosität von mindestens 90 %; Bereitstellen der Vielzahl von hohlen runden Mikrostrukturen, um eine äußere Schicht aus Mikrostrukturen zu definieren, die entlang einer Außenkante der Isolierschicht angeordnet sind, wobei die äußere Schicht aus Mikrostrukturen eine Vielzahl von Fugen zwischen angrenzenden Mikrostrukturen entlang der äußeren Schicht definiert; das Anordnen mindestens eines Teils der Vielzahl von Metallpartikeln innerhalb der Fugen; Bereitstellen einer Bindeschicht die ausgelegt ist, um mit einem Metallsubstrat verbunden zu werden; und das Verbinden der Isolierschicht mit der Bindeschicht.