DE19750517A1 - Hitzeschild - Google Patents

Hitzeschild

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Martin Scheu
Markus Staubli
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Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung geht aus von einem Hitzeschild nach dem Oberbegriff des ersten Anspruches.
Stand der Technik
Hitzeschilder, beispielsweise zur Verwendung in thermischen Strömungsmaschi­ nen und Brennkammern sind bekannt. Diese Hitzeschilder bestehen üblicherwei­ se aus einem Trägermaterial und einer Wärmedämmschicht, die über eine Binde­ schicht mit dem Trägermaterial verbunden ist. Diese Bindeschicht wird im Vaku­ um-Plasma-Verfahren aufgetragen, was die Größe der bearbeitbaren Teile durch die Größe der Vakuumkammer begrenzt und die Herstellung verteuert. Ein weite­ res Problem ist, daß bei Anwendungstemperaturen über 900°C die Bindeschicht üblicherweise versagt und die Wärmedämmschicht abfällt. Dies führt zu einem Versagen des Hitzeschildes.
Aus der DE 33 27 216 A ist eine Hitzeschutzschicht aus einem metallischen Filz welcher mittels CVD mit Zirkonoxid infiltriert und aufgefüllt wird bekannt geworden.
Dadurch entsteht eine dichte feste Hitzeschutzschicht. Der metallische Filz dient als Gerüststruktur für die Zirkonoxidbeschichtung. Der Nachteil dieser Schutz­ schicht sind die hohen Herstellungskosten und die ungenügenden Eigenschaften bezüglich Hitze- und Oxidationsbeständigkeit, insbesondere der Gerüststruktur. Die Hitzeschutzschicht kann zudem nur mit großen Schwierigkeiten, d. h. mittels großem Kühlluftverbrauch gekühlt werden.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Hitzeschild der eingangs ge­ nannten Art einen billigen und effizienten Hitzeschild zur Verfügung zu stellen.
Erfindungsgemäß wird dies durch die Merkmale des ersten Anspruches erreicht.
Kern der Erfindung ist es also, daß der Hitzeschild aus einem filzähnlichen Mate­ rial aus zusammengepreßten und gesinterten intermetallischen Fasern besteht.
Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, daß durch die Verwendung von intermetallischen Fasern die zur Kühlung des Hitzeschildes be­ nötigte Kühlluft deutlich reduziert werden kann. Das auf intermetallischen Fasern basierende filzähnliche Material kann bei Temperaturen von über 1000°C verwen­ det werden, da die intermetallischen Fasern eine hohe Hitzebeständigkeit, eine hohe Oxidationsbeständigkeit und vorteilhafte Wärmeleiteigenschaften aufweisen. Diese Eigenschaften können zudem durch die gewählte intermetallische Phase gezielt eingestellt und den jeweiligen Bedingungen angepaßt werden. Durch die Porosität des filzähnlichen Materials kann eine sehr effiziente, wenig Kühlluft ver­ brauchende Kühlung ermöglicht werden.
Es ist vorteilhaft auf dem filzähnlichen Material zusätzlich eine Wärmedämm­ schicht aufzutragen. Diese hält ohne spezielle Zwischenschichten auf dem filzähnlichen Material und verringert zusätzlich den Kühlungsbedarf und erhöht damit den Wirkungsgrad des Hitzeschildes zusätzlich.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weite­ ren Unteransprüchen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung ist ein schematisches Ausführungsbeispiel der Erfindung darge­ stellt.
Die einzige Figur zeigt einen Teillängsschnitt durch einen Hitzeschild. Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt.
Weg zur Ausführung der Erfindung
In der einzigen Figur ist ein Hitzeschild 1 dargestellt. Ein solcher Hitzeschild kann in Brennkammern, thermischen Strömungsmaschinen wie Gasturbinen, usw. Ver­ wendet werden. Der Hitzeschild besteht aus einem Trägermaterial 2, einem dar­ auf angeordneten filzähnlichen Material 3 aus intermetallischen Fasern und einer Wärmedämmschicht 4. Das Trägermaterial 2, welches üblicherweise metallisch ist, kann Kühlkanäle 5 aufweisen. Die Wärmedämmschicht 4 besteht beispiels­ weise aus Zirkonoxid das mit Yttriumoxid, Calciumoxid oder Magnesiumoxid teil- oder vollstabilisiert wurde.
Das filzähnlichen Material 3 ist beispielsweise aus "VDI Bericht 1151, 1995, Me­ tallische Hochtemperaturfasern durch Schmelzextraktion - Herstellung, Eigen­ schaften und Anwendungen, Stephani et al., Seite 175 ff", bekannt geworden. Dort werden Fasern im Schmelzextraktionsverfahren hergestellt, die Fasern verpreßt und gesintert. Das so gebildete filzähnliche Material wird als Filter und als Kataly­ sator-Träger verwendet.
Erfindungsgemäß wird nun dieses filzähnliche Material aus intermetallischen Fa­ sern hergestellt. Dazu werden vorteilhafterweise intermetallische Phasen auf Ei­ sen- oder Nickelbasis verwendet. Diese weisen eine hohe Hitzebeständigkeit, ei­ ne hohe Oxidationsbeständigkeit und vorteilhafte Wärmeleiteigenschaften auf. Zudem sind die vorgenannten Eigenschaften durch die Wahl einer entsprechen­ den intermetallischen Phase in einem weiten Bereich einstellbar. Das filzähnliche Material aus intermetallischen Fasern läßt sich zudem sehr billig herstellen.
Die Porosität des filzähnlichen Materials kann durch die Parameter des Herstel­ lungsprozesses wie Pressdruck und Sinterparameter eingestellt werden. Ein Vor­ teil dieser porösen Struktur ist, daß das filzähnliche Material sehr effizient direkt durch seine offene Porosität gekühlt werden kann. Durch die Porosität weist das filzähnliche Material eine große innere Oberfläche auf, die den Abwärmetransport vereinfacht.
Das filzähnliche Material aus intermetallischen Fasern wird nun auf dem Träger­ material befestigt. Das Trägermaterial dient als Befestigungs- und Stabilisie­ rungsmittel für das filzähnliche Material. Auf dem filzähnlichen Material wird die Wärmedämmschicht aufgebracht, dies geschieht durch bekannte Verfahren wie zum Beispiel Plasmasprayen. Die Wärmedämmschicht haftet hervorragend auf der rauhen und porösen Oberfläche des filzähnlichen Materials.
Die Wärmedämmschicht reduziert die Temperatur der Oberfläche, das poröse filzähnlichen Material dient der Kühlung. Falls die Wärmedämmschicht ausfällt, das heißt wenn sie nicht mehr zur Verfügung steht, reicht das verbleibende filzähnliche Material aufgrund der hervorragenden Eigenschaften bezüglich Hitze­ beständigkeit, Oxidationsbeständigkeit und vorteilhafter Wärmeleiteigenschaften der intermetallischen Phasen immer noch aus. Selbst das filzähnliche Material ohne Wärmedämmschicht kann somit als Hitzeschild verwendet werden, wobei hier jedoch im Vergleich zur zusätzlichen Verwendung einer Wärmedämmschicht der Kühlluftverbrauch etwas höher liegt.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das gezeigte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Das Trägermaterial kann auch weggelassen werden, wenn das filzähnliche Material durch eine geeignete Wahl des Werkstof­ fes und der Porosität eine genügende Eigenfestigkeit aufweist.
Bezugszeichenliste
1
Hitzeschild
2
Trägermaterial
3
filzähnliches Material
4
Wärmedämmschicht
5
Kühlkanäle

Claims (5)

1. Hitzeschild (1), insbesondere für Brennkammer und für thermische Strö­ mungsmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß der Hitzeschild (1) aus einem filzähnlichen Material (3) aus zusammengepreßten und gesinterten intermetallischen Fasern besteht.
2. Hitzeschild nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die intermetallischen Fasern aus einer intermetallischen Phase auf Eisenbasis oder Nickelbasis bestehen.
3. Hitzeschild nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das filzähnliche Material (3) aus intermetallischen Fasern auf einem Trägermaterial (2) angeordnet ist und/oder daß auf dem filzähnlichen Material aus intermetallischen Fasern eine Wärmedämmschicht (4) ange­ ordnet ist.
4. Hitzeschild nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmedämmschicht (4) aus teil- oder vollstabilisiertem Zirkonoxid besteht.
5. Hitzeschild nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Hitzeschild (1) mittels einer offenen Porosität des filzähnlichen Materials (3) aus intermetallischen Fasern kühlbar ist.
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