DE19814588A1 - Thermische Schutzschicht für Bauteile aus Langfaser-verstärkten keramischen Werkstoffen - Google Patents
Thermische Schutzschicht für Bauteile aus Langfaser-verstärkten keramischen WerkstoffenInfo
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Abstract
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Aufbringen einer thermischen Schutzschicht auf oxidisches Faserverbundmaterial (Substrat), so erhältliche hochtemperaturfeste oxidische Faserverbundmaterialien sowie die Verwendung dieser Materialien. DOLLAR A Die oxidischen Faserverbundmaterialien werden durch Flammspritzen mit einem oxidischen Material mit thermischen Schutzschichten beschichtet.
Description
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Aufbringen einer thermischen
Schutzschicht auf oxidisches Faserverbund material (Substrat), so erhältliche
hochtemperaturfeste oxidische Faserverbundmaterialien sowie die Verwendung die
ser Materialien.
Aufspritzschichten sind bekanntermaßen durch thermisches Spritzen aufgebrachte
anorganische Oberflächenschichten. Die Spritzwerkstoffe werden in oder außerhalb
von Spritzgeräten (Spritzpistolen, Spritzkanonen, Plasmajets, Plasmabrennern, Plas
mageneratoren, Plasmatrons) geschmolzen oder angeschmolzen und mit hoher Ge
schwindigkeit auf die Oberfläche gespritzt. Die Oberflächenbereiche schmelzen hier
bei im allgemeinen nicht. In Sonderfällen wird jedoch beim Spritzen oder danach ein
erwünschtes Anschmelzen und/oder eine Schmelzverbindung erzielt.
Thermisch gespritzte Schichten werden häufig aufgebracht, um den Verschleiß und
die Korrosion des Substrats herabzusetzen, daneben auch um die Wärmeübertragung
oder elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen oder zu erniedrigen, die Betriebsfähigkeit
einer Vorrichtung wiederherzustellen oder ganz besondere Oberflächeneigenschaften,
wie hohe oder niedrige Elektronen-, Emissionen-, katalytische Effekte und anderes zu
erzielen. Während überwiegend Metalle als Überzugswerkstoffe verwendet werden,
gewinnen in der jüngeren Zeit oxidische Werkstoffe mehr und mehr an Bedeutung.
Aufbauend auf diesen allgemeinen Erkenntnissen, besteht die Aufgabe der vorliegen
den Erfindung in einem Verfahren zum Auftragen einer thermischen Schutzschicht auf
ein oxidisches Faserverbundmaterial. Übliche oxidische Langfasern in Faserverbund
materialien weisen eine unbefriedigende thermische Stabilität von etwa 1000°C auf,
wobei jedoch höhere Oberflächentemperaturen, wie etwa 1300°C, beispielsweise für
Keramikschindeln in der Brennkammer einer stationären oder mobilen Gasturbine
erwünscht sind.
Die vorgenannte Aufgabe wird in einer ersten Ausführungsform gelöst durch ein Ver
fahren zum Aufbringen einer thermischen Schutzschicht auf ein oxidisches Faserver
bundmaterial, wobei man die im Gebrauch thermisch beaufschlagte Oberfläche des
Faserverbundmaterials durch Flammspritzen mit einem oxidischen Material versieht.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, das Werkstück, während
des Aufbringens der thermischen Schutzschicht so wenig wie möglich zu erwärmen,
so daß keine Gefügeveränderung und kein Verzug auftritt. Die Anwendung des Ver
fahrens ist nicht von der Größe des Werkstücks oder des Bauteils abhängig. Auch
kompliziert geformte Bauteile lassen sich mit Hilfe des Flammspritzens beschichten. In
kurzer Zeit lassen sich große Werkstoffmengen auftragen. Während üblicherweise als
Nachteil des Flammspritzverfahrens angesehen wird, daß die Schichten normalerwei
se nicht dicht sind, besteht hierin ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung,
da aufgrund der Rest-Porosität der aufgespritzten Schicht eine hervorragende Wär
medämmwirkung erzielt wird. Aufgrund der hervorragenden Wärmedämmwirkung der
Schutzschicht kann die derzeit unbefriedigende thermische Stabilitätstemperatur
(1000°C) von keramischen Langfasern ohne Schäden für das Bauteil zu höheren
Anwendungstemperaturen, beispielsweise 1300°C für Keramikschindeln in der
Brennkammer in der Gasturbine verschoben werden.
Erfindungsgemäß wird die Schutzschicht mittels Flammspritzen auf das Substrat auf
gebracht. Aus der inhärenten porösen Gefügestruktur der Schutzschicht ergibt sich
eine exzellente Thermoschockbeständigkeit der Schicht. Aufgrund der sehr geringen
Wärmeleitfähigkeit des Schichtmaterials resultiert die gute Wärmedämmung der
Schutzschicht.
Die einzusetzenden Faserverbundmaterialien sollen vorzugsweise ausgewählt sein
aus Faserbündeln, Vliesen, Gewirken und/oder Geweben. Besonders bevorzugt im
Sinne der vorliegenden Erfindung ist es Faserverbundmaterialien auf der Basis von
MgO und/oder CaO und/oder Al2O3 und/oder ZrO2 und/oder Y2O3 und/oder
SiO2-Systemen einzusetzen.
Der erfindungsgemäß hergestellte Faserverbundwerkstoff zum thermischen Schutz in
einer Brennkammer einer Gasturbine besteht somit aus einem Substrat aus einem
oxidischen Faserverbundmaterial und einer thermischen Schutzschicht zur Heiß
gasseite, beispielsweise auf mullitischer Basis.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß das Substrat aus oxi
dischem Faserverbundmaterial und die thermische Schutzschicht die gleiche chemi
sche Zusammensetzung aufweist.
Der entscheidende Vorteil gleicher Materialien des Substrats und der thermischen
Schutzschicht ist, daß im Hochtemperatureinsatz keine Fehlpassung aufgrund unter
schiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten auftritt. Bei dem Substrat wird
vorzugsweise ein mehrlagiger heißgepreßter Gewebeverbund auf der Basis kommer
ziell erhältlicher oxidischer Hochtemperaturfasern auf der Basis von Mullit, wie bei
spielsweise NEXTEL® 720 der Firma 3M eingesetzt. Ein entsprechendes Substrat wird
beispielsweise mit einer flammgespritzten Mullitschicht versehen.
Die Schicht, die mittels dieses Verfahrens aufgebracht wird, übernimmt den thermi
schen Schutz des darunterliegenden Substrats, dessen maximale Einsatztemperatur
bei z. Zt. 1000°C im Langzeiteinsatz liegt. Dem Substrat fällt der mechanische Teil
der Belastung zu, der sich aus Kräften und Momenten durch Vibrationen oder Vor
spannungen durch den Einbau zusammensetzt.
Die Trennung der Anforderungen an das Substrat und die thermische Schutzschicht
sowie die damit verbundene Trennung der mechanischen von der thermischen Bela
stung erfolgt nicht willkürlich, sondern ist ein entscheidender Kompromiß, da man sich
auf diese Weise die vorteilhaften Eigenschaften beider Komponenten zunutze macht.
Herausragend ist erfindungsgemäß das versagenstolerante Verhalten des Substrats,
das lokale Schädigung toleriert, ohne als Gesamtverbund zu versagen.
Ein handelsübliches Fasergewebe aus NEXTEL® 720 - Fasern wurde in Form von
Gewebelagen mittels Paraffin auf den Umfang der Einzellagen fixiert. Geeignet sind
jedoch auch andere Wachse. Durch die Fixierung wurde beim Heraustrennen der
Einzellagen eine Verzerrung der Fasern aus ihrer ursprünglichen Lage im Gewebe
verhindert und einem Festigkeitsverlust im Randbereich vorgebeugt. Im Anschluß
wurden die einzelnen Fasern mittels einer Stanze aus dem Gewebe ausgeschlagen
oder mit einem Skalpell ausgeschnitten. Daran anschließend wurden die einzelnen
Gewebelagen in einer einheitlichen Ausrichtung gestapelt. Man ließ das Fixiermittel
und die vom Faserhersteller aufgebrachte Faserbeschichtung (Schlichtemittel) ausga
sen. Durch Ausheizen auf 1300°C im Verlauf von zwei Stunden gefolgt von einer län
gerfristigen Temperaturbehandlung von 1100°C bei einem Druck von 20 MPa wurde
das Fasergewebe zwischen zwei planparallel geschliffenen und polierten SiC-
Stempeln an Luft heißgepreßt. Nach einer 15minütigen Haltezeit bei Maximaltempe
ratur ließ man das Fasergewebe abkühlen, wobei der Druck entlastet wurde, sobald
die Abkühlung begann. Nach Entlastung und Abkühlung, beispielsweise 2 Stunden
auf Raumtemperatur ließen sich die festgepreßten Substrate problemlos von den
SiC-Stempeln lösen.
Die oben beschriebenen Substrate wurden unter einer handelsüblichen Spritzappa
ratur arretiert und nach Einstellung der relevanten Parameter, wie Spritzabstand und
Fördergasdruck, an der Flammspritzanlage mit einem kommerziell erhältlichen Mullit
pulver beschichtet. Die Korngrößenverteilung und Siebung des Pulvers waren dabei
für den gewählten Flammspritzprozess abzustimmen. Das Aufbringen der thermischen
Schutzschicht erfolgte mittels Flammspritzen. Da durch Referenzversuche die Auf
tragsdicke bekannt war, ließ sich eine bestimmte Schichtdicke ohne große Probleme
einstellen.
Bedingt durch die hohen Abkühlgeschwindigkeiten während der Erstarrung der aufge
schmolzenen Partikel war die aufgebrachte Mullitschicht im as-sprayed Zustand
größtenteils amorph. Im Temperaturbereich zwischen 950 und 1000°C fand eine
Kristallisation statt, die mit einer geringen Schrumpfung des Beschichtungsmaterials in
der Größenordnung von etwa 1% einherging. Damit ergab sich zwangsläufig ein lo
kales oder totales Ablösen der thermischen Schutzschicht vom Substrat, wobei die
aller oberste Gewebelage an der Schicht anhaftete. In einem weiteren Heißpreßzyklus
bei einer Temperatur unterhalb von 1300°C ließ sich die Kristallisation der thermi
schen Schutzschicht und die erneute Verklebung der Gewebelagen in einem Arbeits
schritt realisieren.
Mit Hilfe des so erhaltenen selbstverstärkenden Gewebeverbundes war somit ein
oxidisches Faserverbundmaterial mit einer extrem guten Temperaturwechselbestän
digkeit, einem extrem guten Thermoschockverhalten und leichter Bearbeitbarkeit her
gestellbar, dessen Bearbeitbarkeitsprofil dem von Graphit ähnelte.
Claims (6)
1. Verfahren zum Aufbringen einer thermischen Schutzschicht auf ein oxidisches Fa
serverbundmaterial, wobei man die thermisch beaufschlagte Oberfläche des Faser
verbundmaterials durch Flammspritzen mit einem oxidischen Material versieht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das oxidische Fa
serverbundmaterial mit einer thermischen Schutzschicht gleicher chemischer Zu
sammensetzung versieht.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fasermaterial aus
gewählt ist aus Faserbündeln, Vliesen, Gewirken und/oder Geweben.
4. Hochtemperaturfestes oxidisches Faserverbundmaterial mit einer thermischen
Schutzschicht, aufgebracht durch Flammspritzen mit einem oxidischen Material.
5. Faserverbund material nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Faser
verbundmaterial und die thermische Schutzschicht die gleiche chemische Zusam
mensetzung aufweisen.
6. Verwendung von Fasermaterialien nach Anspruch 4 oder 5 zur heißgasseitigen
Beschichtung von Brennkammern in stationären oder mobilen Gasturbinen.
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BR9610600A (pt) * | 1995-08-16 | 1999-12-21 | Northrop Grumman Corp | Redução do desgaste entre peças de compósito de matriz cerâmica estrutural reforçada com fibras para motores de automóveis em relação de contato deslizante. |
-
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