DE19942857C2 - Durch Plasmaspritzen erzeugte dicke Schichten auf Aluminiumoxid-Basis - Google Patents
Durch Plasmaspritzen erzeugte dicke Schichten auf Aluminiumoxid-BasisInfo
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Abstract
Die durch Plasmaspritzen auf ein Substrat aufgebrachte Schicht auf Al¶2¶O¶3¶-Basis, welche eine Schichtdicke von mehr als 0,3 mm aufweist, ist sandwichartig lamellar aufgebaut, wobei die Al¶2¶O¶3¶-Schichten zwischen zwei ebenfalls durch Plasmaspritzen aufgebrachten Zwischenschichten aus einem anderen Keramikschichtwerkstoff, welcher beim Abkühlen durch Phasenumwandlung sein Volumen vergrößert, eingelagert sind. Für diese Zwischenarbeiten haben sich insbesondere Al¶2¶O¶3¶/ZrO¶2¶-, Al¶2¶O¶3¶/TiO¶2¶-, ZrO¶2¶/Y¶2¶O¶3¶-, Y¶2¶O¶3¶/ZrO¶2¶-, ZrO¶2¶/MgO-, ZrO¶2¶/CeO¶2¶- und ZrO¶2¶/CaO-Legierungssysteme bewährt.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine durch Plasmaspritzen auf ein Substrat aufge
brachte Schicht auf Al2O3-Basis mit einer Schichtdicke von mehr als 0,3 mm.
Durch Plasmaspritzen erzeugte Schichten aus Al2O3 werden in der Technik für elektri
sche Isolationen bereits seit langem eingesetzt.
So ist in der Veröffentlichung DE 195 38 034 C1 eine Hochtemperaturbrennstoffzelle
mit wenigstens zwei aufeinander angeordneten keramischen Lagen unterschiedlicher
Zusammensetzung, welche u. a. durch Plasmaspritzen erzeugt werden können, be
schrieben. Diese Aufeinanderfolge von verschiedenen keramischen Lagen hat den
Vorteil, dass verschiedene Anforderungen, wie elektrische Isolation und thermischer
Längenausdehnungskoeffizient, von verschiedenen Lagen getrennt erfüllt werden. Für
die keramischen Lagen werden als Material beispielsweise ZrO2 und Al2O3 angegeben.
Auch in der Veröffentlichung US 53 38 577 werden mit Keramik beschichtete Metall
substrate beschrieben, bei denen ZrO2 und Al2O3 nacheinander durch Flammspritzen
aufgetragen werden.
Schliesslich sind aus der Veröffentlichung US 45 88 655 auch Flammspritzpulver aus
Al2O3 und ZrO2 bekannt.
Eine Durchschlagfestigkeit von 15 kV/mm Schichtdicke wird in der Regel erreicht, so
fern keine Feuchtigkeit vorhanden ist. Plasmagespritztes reines Al2O3 ist als Werkstoff
relativ spröde und kann nicht ohne das Risiko von Rissbildungen in einer Dicke von
mehr als 0,8 mm aufgebracht werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, Schichten auf Al2O3-Basis
mit einer Schichtdicke von bis zu 4 mm durch Plasmaspritzen aufzubringen, ohne dass
Makrorisse entstehen, welche die Durchschlagfestigkeit deutlich vermindern würden.
Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 umschriebenen Mass
nahmen gelöst.
Durch die erfindungsgemässen Massnahmen wird erreicht, dass die Al2O3-Schichten
durch die benachbarten Zwischenschichten unter Druck gesetzt werden.
Diesbezüglich haben sich Zwischenschichten aus einem Al2O3/ZrO2-Legierungssystem
oder aus einem Al2O3/TiO2-Legierungssystem besonders bewährt. Bei einem Al2O3/
ZrO2-Legierungssystem bilden sich bei der Kristallisation infolge Phasenumwandlung
insgesamt vier kristalline Phasen (α-Al2O3, γ-Al2O3, ZrO2 kubisch und ZrO2 monoklin)
aus, welche gesamthaft mehr Volumen beanspruchen als im ursprünglichen Zustand, in
welchem sie aufgebracht wurden. Dadurch wird Druck auf die benachbarten
anliegenden Al2O3-Schichten ausgeübt. Beim Einsatz der anderen oben
und nachstehend genannten Legierungssysteme liegen analoge Verhältnisse vor. So
werden beim Einsatz des Al2O3/TiO2-Legierungssystems vor allem die entsprechen
den Rutile gebildet.
Andere für die Zwischenschichten geeignete Legierungssysteme sind beispielsweise:
- - ZrO2/Y2O3 mit 8 bis 22 Gew.-% Y2O3;
- - Y2O3/ZrO2 mit 5 bis 15 Gew.-% ZrO2;
- - ZrO2/MgO mit 5 bis 30 Gew.-% MgO;
- - ZrO2/CeO2 mit 10 bis 15 Gew.-% CeO2;
- - ZrO2/CaO mit 2 bis 10 Gew.-% CaO.
Die genannten Zwischenschichten weisen im Vergleich zu den Al2O3-Schichten eine
grössere Zähigkeit auf, wodurch die Festigkeit der Gesamtschicht verbessert wird. Im
übrigen sind sie ebenfalls elektrisch isolierend und unterstützen dadurch die Durch
schlagfestigkeit.
Zwischenschichten aus einem der genannten Legierungssysteme, namentlich aus
einem Al2O3/ZrO2-Legierungssystem, eignen sich insbesondere für die Beschichtung
von sog. "Koronawalzen" für elektrographische Vorrichtungen.
In der einzigen Figur ist als Beispiel der Schichtaufbau einer durch Plasmaspritzen
hergestellten Schicht von 1,8 mm Gesamtdicke mit Angabe der einzelnen Schicht
dicken dargestellt.
Claims (16)
1. Durch Plasmaspritzen auf ein Substrat aufgebrachte Schicht auf Al2O3-Basis
mit einer Schichtdicke von mehr als 0,3 mm, dadurch gekennzeichnet, dass
sie sandwichartig lamellar aufgebaut ist, wobei die Al2O3-Schichten zwischen
zwei ebenfalls durch Plasmaspritzen aufgebrachten Zwischenschichten aus
einem anderen Keramikschichtwerkstoff, welcher beim Abkühlen durch Pha
senumwandlung sein Volumen vergrössert, eingelagert sind.
2. Schicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischen
schichten aus einem Al2O3/ZrO2-Legierungssystem bestehen.
3. Schicht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Legie
rungssystem der Zwischenschicht 5 bis 50 Gew.-% ZrO2 enthält.
4. Schicht nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Legierungssy
stem der Zwischenschicht 10 bis 30 Gew.-% ZrO2 enthält.
5. Schicht nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Dicken der Zwischenschichten 0,1 bis 1 mm und diejenigen der Al2O3-
Schichten 0,05 bis 0,3 mm betragen.
6. Schicht nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Gesamtdicke der Schicht 0,3 bis 4 mm beträgt.
7. Schicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischen
schichten aus einem Al2O3/TiO2-Legierungssystem bestehen.
8. Schicht nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Legierungssy
stem der Zwischenschicht 1 bis 50 Gew.-% TiO2 enthält.
9. Schicht nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Legierungssy
stem der Zwischenschicht 5 bis 18 Gew.-% TiO2 enthält.
10. Schicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischen
schichten aus einem ZrO2/Y2O3-Legierungssystem mit 8 bis 22 Gew.-% Y2O3
bestehen.
11. Schicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischen
schichten aus einem Y2O3/ZrO2-Legierungssystem mit 5 bis 15 Gew.-% ZrO2
bestehen.
12. Schicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischen
schichten aus einem ZrO2/MgO-Legierungssystem mit 5 bis 30 Gew.-% MgO
bestehen.
13. Schicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischen
schichten aus einem ZrO2/CeO2-Legierungssystem mit 10 bis 15 Gew.-% CeO2
bestehen.
14. Schicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschich
ten aus einem ZrO2/CaO-Lergierungssystem mit 2 bis 10 Gew.-% CaO beste
hen.
15. Schicht nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass das Substrat eine Koronawalze ist.
16. Schicht nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die erzeugte Schicht mit organischen oder anorganischen Stoffen versie
gelt ist.
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