DE3128981C2

DE3128981C2 - Mischung zur Verwendung als Wärmebarriereüberzug

Info

Publication number: DE3128981C2
Application number: DE3128981A
Authority: DE
Inventors: Norman Edmund Parkfields Drive Derby Ballard
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1980-07-25
Filing date: 1981-07-22
Publication date: 1983-11-03
Also published as: FR2487333B1; GB2081246A; JPS5756395A; US4332618A; JPS6029672B2; FR2487333A1; DE3128981A1; GB2081246B

Abstract

Es werden Überzugszusammensetzungen beschrieben, die sich zur Verwendung als Wärmebarriere-Überzüge an hohen Betriebstemperaturen ausgesetzten Bauteilen wie beispielsweise Gasturbinentriebwerken eignen. Die erfindungsgemäßen Überzugszusammensetzungen bestehen aus einem Gemisch aus fein verteilten hohlen Glasmikrokügelchen, fein verteilten Teilchen einer Keramikfritte sowie fein verteilten Teilchen eines hitzebeständigen Füllmaterials, jeweils in einem Bindemittel suspendiert. Die Aufbringung der Überzugszusammensetzungen auf die zu schützenden Werkstücke erfolgt vorzugsweise durch Aufsprühen, wobei das hitzebeständige Füllmaterial insbesondere im Hinblick auf die Erzielung guter Sprüheigenschaften gewählt wird. Die Keramikfritte dient zur Erzielung einer gewissen Duktilität der Überzugszusammensetzung bei Aussetzung des überzogenen Bauteils gegenüber hohen Temperaturen, um die Gefahr von Rißbildungen in der Überzugszusammensetzung als Folge innerer Wärmegradienten in der Zusammensetzung zu verringern. Die beschriebenen Überzugszusammensetzungen eignen sich insbesondere zur Anwendung an Bauteilen und Werkstücken, die hohen Betriebstemperaturen von beispielsweise bis etwa 600 ° C ausgesetzt sind.

Description

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Die Erfindung betrifft eine Mischung zur Verwendung .ils Wärmebarriere·Über/ug. d. h. als Überzug /ur Erzielung einer wärmeisolierenden Schut'barriere an einem Bauteil.

Aus der europäischen Patentanmeldung 3 403 ist eine zur Verwendung als wärmeisolicrendcr. feuerbeständiger Werkstoff geeignete Mischung bekannt, welche Hohlteilchen aus (ilas oder Keramik, beispielsweise kugelförmige Teilchen aus ein 111 Aluminosilikatglas. und ein unorganisches Bindemittel, beispielsweise Niitriiimsilikat. enthält. Das bekannte Gemisch ist /ur Anwendung als wiirmeisolierender. feuerfester Werkstoff in Gestalt selbsttragender, vorzugsweise in einem Formpreßverfahren hergestellter Werkstücke oder Formkörper bestimmt. Auch soweit die bekannte Zusammensetzung als würnieisolierender. feuerfester llitzesehut/. für anderweitige Bauteile, beispielsweise konstruktive Metallwerkstucke vorgesehen ist. wird er in Form vorgefertigter, vorzugsweise platten- oder tafelförmiger Formkörper beträchtlicher Eigendicke in Materialstärken in der Größenordnung von mehreren Zentimeterp angewandt, die als vorgefertigte, selbsttragende Verkleidungsplatten oder -tafeln dem zu schützenden Bauteil vorgesetzt werden und mit diesem in geeigneter Weise verbunden werden müssen. Soweit das bekannte Material daher als Wärme- und Hitzeschutz für anderweitige Bauteile dienen soll, ist es auf die Anwendung an verhältnismäßig einfach geformten Körpern und auf Anwendungsfälle beschränkt, in welchen die beträchtliche Eigendicke der Wärmeschutz-Verkleidung unproblematisch oder sogar erwünscht ist.

Demgegenüber betrifft die Erfindung ein Gemisch, das sich zur Verwendung als Überzugsma'«·· ial eignet, d. h. also als Gemisch, das in flüssigem bzw. fließfähigem Zustand nach einfachen Auftragsverfahren mit einer geringen Schichtdicke in der Größenordnung von Millimetern oder darunter auf Werkstücke beliebiger, insbesondere auch komplizierter Formgebung aufgebracht werden kann und auf diesen einen unmittelbar festhaftenden Wärmeschutz-Überzug bildet, welcher der Oberflächenform der geschützten Werkstücke auch bei komplizierter Formgebung genau folgt. Ein Bedürfnis nach derartigen Wärmeschutz-Überzügen besteht auf einer Reihe von Gebieten, so hat beispielsweise auf dem Gebiet der Gasturbinentriebwerke das Streben nach höherer Leistung und verbessertem Wirkungsgrad dazu geführt, daß für die Triebwerksteile zunehmend höhere Betriebstemperaturen gefordert werden. Dies wiederum hat seinerseits zu zunehmend komplizierten und kostspieligen Systemen zur Kühlung dieser Bauteile, abgesehen von der Verwendung teurer hitzebeständiger Werkstoffe für ihre Herstellung, geführt.

Der Erfindung liegt daher — im Unterschied zu der europäischen Patentschrift 3 403. welche ein selbsttragendes, platten- oder tafelförmiges Material zur Verwendung als wärmeisolierender Feuerschutz zum Gegenstand hat — die Schaffung einer Mischung zugrunde, welche sich als wärmeisolierender Schutzüberzug von Bauteilen der vorstehend genannten Art gegen die Auswirkungen hoher Temperaturen eignet: en derartiges Überzugsmaterial soll nach einfachen Ajftragsverfahren. etwa als Anstrich oder im Flammsprühverfahren, als rela'iv dünner Überzug auf die zu schützenden Werkstücke beliebiger Formgebung und Konfiguration .mitragbar sein und an diesen einen giir.zflächig festhaftenden Überzug bilden, der unter Aufrechterhaltung der gegebenenfalls auch komplizierten und funktionswesentlichen Formgebung des Werkstücks (wie etwa bei Triebwerksschaufeln) einen wirksamen Hitzeschutz der überzogenen Teile, insbesondere auch gegen Wärmeschockbelastungen, d. h. zyklischem Wechsel zwischen relativ sehr hohen und relativ niedrigeren Temperaturen, gewährleistet. Die zuverlässige Haftung des Überzugs, insbesondere unter derartigen Wafmeschockbeclingiingen. ist ein bedeutsames Problem, da hierbei die Gefahr einer Rißbildung und eines Abblatterns des Überzugs besteht. Das Über/tigsniiiterial soll daher neben einem guten Eigenhaftvermögen an der Oberfläche des zu überziehenden Werkstücks auch eine ausreichende Duktilitiit besitzen, um unterschiedliche Wärmeausdehnungcri und -kontraktionen insbesondere auch unter den genannten Wärmeschockbeilingungen. aufnehmen /11 können.

Indem man Bauteile mit einem wärmeisolierenden Überzug dieser Art versieht, sollen die sich an bzw. in den Bauteilen ergebenden Betriebstemperaturen (etwa für erwünscht möglichst hohe Temperaturen des Gases oder sonstigen Strömungsmittels in Turbinentriebwerken) herabgesetzt und hierdurch die Verwendung weniger komplizierter Kühlsysteme oder überhaupt der Verzicht auf Kühlung sowie die Verwendung weniger kostspieliger Konstruktionswerkstoffe ermöglicht werden.

Zu diesem Zweck ist — ausgehend von einer Mischung auf der Basis von hohlen Glaskügelchen und anorganischem Bindemittel — erfindungsgemäß zur Verwendung als Wärmebarriere-Oberzug vorgesehen, daß die Mischung fein verteilte hohle Glasmikrokügelchen, fein verteilte Teilchen einer Keramikfritte sowie fein verteilte Teilchen eines hitzebeständigen Füllmaterials in einem Bindemittel suspendiert enthält.

Die erfindungsgemäße Mischung besitzt eine ausgezeichnete Eignung Js Wärmebarriere-Überzug in dem oben erläuterten Sinn. Durch die Verwendung eines hitzebeständigen Füllmaterials, beispielsweise in Form von Glimmer von μΐη-Körnung. fein verteiltem Aluminiumoxyd oder fein verteiltem Mullit wird — bei Aufrechterhaltung guter Wärmeisolation und Hitzebeständigkeit, eine gute Auftragbarkeit des Gemischs. insbesondere eine gute Sprühfähigkeit zur Auftragung im Sprühverfahren, etwa Flammspriihverfahren, gewährleistet. Die als weiterer Bestandteil der erfindungsgemäßen Mischung verwendete Keramikfritte dient zur Erzielung einer ausrechenden Duktilität der Überzugszusammensetzung bei Aussetzung des überzogenen Bauteils gegenüber hohen Temperaturen, um die Gefahr von Rißbildungen in der Über7ugsschicht als Folge innerer Wärmegradienten und «ie Gefahr des Abblätterns des Überzugs zu verringern. Das erfindungsgemäßc Überzugsgemisch eignet sich insbesondere zur Anwendung an Bauteilen und Werkstücken, die hohen Betriebstemperaturen von beispielsweise bis etwa 600°C und gegebenenfalls Wärmeschockbedingungen durch periodischen Wechsel der einwirkenden Temperatur, ausgesetzt sind, wie etwa bei Bauteilen von Gasturbinentriebwerken. Die Überzüge dienen dabei als wärmeisolierende Hitzebarriere und bewirken eine Herabsetzung der effektiven Betriebstemperatur der betreffenden Bauteile, derart, daß mit weniger aufwendigen Kühlsystemen ausgekommen oder sogar auf Kühlung dir Bauteile überhaupt verzichtet werden kann und weniger teure Werkstoffe für die Bauteile verwendet werden können.

Die jeweilige spezielle Art des Bindemittels für das erfindungsgemäße Überzugsgemisch hängt von den Temperaturen ab, denen der Überzug voraussichtlich ausgesetzt ist. Für Anwendungen im Hochtemperaturbereich, d. h. bis zu etwa 600"C können als geeignetes Bindemittel eine Natrium· oder Kaliumsilicat-Lösung oder alternativ eine Aluminiumorthophosphat-Lösung dienen. Das bevor/ugte Bindemittel ist eine Kaliumsilikat-Lösung rr.it einem Feststoffgehall von 34"/» und einem mittlerem Gewichtsverhältnis von SiO; : K.O von 2. Es können jedoch auch andere Kaliuinsilicai-Löstingcn mit einem Wert des mittleren Gewichtsverhältnisses von bis zu 2,2 und Gesaintfeststoffgehalien zwischen 27 und 40% verwendet werden. Bei Verwendung einer Natriumsilicat-Lösung können Lösungen mit einem Wert des mittleren Gewichtsverhältnisses von SiOj : Na>O im Bereich von 2.0 bis 3,4 Anwendung finden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, daß der Verhältnisanteil des hitzebeständigen Füllmaterials zu den hohlen Glasmikrokügelchen und zu der Keramikfritie sich wie 40 : 33 :27, jeweils in Gewichtsieilen, verhält. Jedoch kann gemäß Abwandlungen vorgesehen sein, daß der Anteil eines beliebigen der Bestandteile um bis zu 50 Gewichts-% verringert unJ die Gewichtsanteile sämtlicher übriger Bestandteile jeweils um einen der Hälfte der Gewichtsverringerung des einen Bestandteils entsprechenden Wert erhöht wird.

Es wurde gefunden, daß der optimale Wert des Verhältnisses der Gesamtgewichtsanteile des hiizebeständigen Füllmaterials, der hohlen Glasmikrokügelcher, und der Keramikfritte zum Gewichtsanteil des Bindemittels den Wert 1 : 1 besitzt. Jedoch kann dieses Verhältnis auf 1 :0,75 erniedrigt oder auf i : 1,1 erhöht werden. Für Werte des Verhältnisses außerhalt des angegebenen Wertebereichs wurde gefunden, daß die Überzugszusammensetzung in Aufbringung auf einem Substrat beim Abkühlen von hohen Temperaturen zum Abblättern bzw. Abschuppen neigt.

Die Keramikfritte wird der Überzugszusammensetzung zugesetzt, um ihr einen gewissen Grad von Duktilität bei Aussetzung gegenüber hohen Temperaturen zu verleihen. Es wurde gefunden, daß diese Duktilität das Auftreten von Rißbildungen in der Überzugszusammensetzung infolge von Wärmegradienten in der Zusammensetzung herabsetzt. Falls die Überzugszusammensetzungen Betriebstemperaturen von bis zu 600° C ausgesetzt werden sollen, hat sich ein Alkalisilicat-Titinat-Glas mit einer Erweichungstemperatur im Bereich von 420 bis 448⁰C als geeignete Keramikfritte erwiesen.

Die erfindungsgemäße Überzugszusammensetzung wird auf zu schützende Bauteile nach herkömmlichen Farbaufsprühverfahren aufgebracht. Das hitzebeständige Füllmaterial dient in der erfindungsgemäßen Zusammensetzung zur Verbesserung . einer Sprüheigenschaften. Geeignete hitzebeständige Füllstoffe sind Glimmer mit μΓη-Körnung, fein verteiltes Aluminiumoxid und fein verteiltes Mullit.

Zur Untersuchung der Wärmeleitungseigenschaften von erfindungsgemäßen Überzugszusammensetzungen wurde ein Prüfling aus 12% Chromstahl mit einer erfindungsgemäßen Überzugszusammensetzung aus den folgenden Bestandteilen (in Gewichtsteilen) besprüht:

Glimmer mit Abmessungen

im um-Bereich

Hohle Glas-Mikrokügelchen

Keramikfritte

Bindemittel

Wasser

40 Gew.-Tl.

33Gew.-TI.

27 Gew.-Tl.
100 Gew.-Tl.
in ausreichender
Menge zur Erzielung
einer versprühbaren
Konsistenz

Die hohlen Glasmikrokügelchen besaßen Teilchenabmessungen im Bereich von 75 bis 35 um und bestanden aus Calcium-Alumino-Silicat.

Die Keramikfritte bestand aus einem fein verteilten Alkali-Silicat-Titinat-Glas mit SiO_>. TiO_:. Na_:O und K.-O als Hauptbestandteilen und BjO,, P..O,. SeO. ZnO. CdO. LijO und AI.O als Nebenbestandteilen. Die Fritte besaß einen Erweichungspunkt im Temperaturbereich von 420 bis 440"C und eine Teilchengröße von weniger

als 200 .um.

Als Bindemittel diente eine wäßrige Kalium-Silicat-Lösung mit einem Gesamtfeststoffgehalt von 34 Gew.-% und einem mittlerem Gewichtsverhältnis von SiO.: K₃O von 2.00. -,

Auf den Prüfling wurde eine Anzahl von Überzügen aus der Oberzugszusammensetzung aufgesprüht, wobei der Prüfling jeweils zwischen der Aufbringung der Oberzüge ein- Stunde lang auf 150" C aufgeholzt wurde. Diese Wärmebehandlung dieme zum Austreiben des to der Oberzugszusammensetzung zugesetzten Wassers. Insgesamt wurden soviele Überzüge aufgebracht, um eine Überzugsdicke von 0.508 mm aufzubauen. Der überzug wurde sodann eine Stunde lang auf 560⁰C erhitzt, um das angesammelte Wasser auszutreiben und die Keramikfritte zusammenzuschmelzen.

Sodann wurde nach herkömmlichen Verfahren die Wärmeleitfähigkeit des Oberzugs gemessen und zu 0,4 · 10 W/m K.

Durch Experiment wurde gefunden, daß bei Verwenuiig TV/ii vJmiimv·» ttt> t j^tti* i\Ci llung UtS iiiiZ*_L»C3iail\-li~

ges Füllmaterial sich nur eine Überzugsdicl.c von bis zu 0,635 mm erzielen läßt. Bei Überschreiten dieser Dicke neigt der Überzug bei hohen Temperaturen zum Abblättern in Schuppen. Man darf annehmen, daß dies wenigstens teilweise auf die physikalische Form der Glimmer-Teilchen zurückgeführt werden kann. Für bestimmte Anwendungszwecke ist es daher vorzuziehen, statt Glimmer von μΐη-Körnung feir¹ verteilte Aluminiumoxid-Teilchen zu verwenden. jo

Demgemäß wurde eine Überzugszusammensetzung ahnlicher Art wie vorstehend beschrieben hergestellt, die jedoch an Stelle des Glimmers von μπνΚοπιι^ 40 Gew.-TI. Aluminiumoxid-Teilchen der Feinheit entsprechend einer Maschenweite von ca. 0.048 mm enthielt. Diese Überzugszusammensetzung wurde unter den gleichen Bedingungen wie vorstehend bis /um Aufbau einer Dicke von 0.51 mm auf einen Prüfling aus 12% Chromstahl aufgebracht. Wie im vorigen Beispiel wurde wiederum eine Stunde lang auf 560^cC erhitzt, um das kombinierte Wasser auszutreiben und die Keramikfritte zusammenzuschmelzen. Wärmeleitungstests ergaben, daß dieser Überzug ebenfalls eine Wärmeleitfähigkeit von 0,4 · 10 W/m K besitzt

Es wurde gefunden, daß erfindungsgemäße Überzugszusammensetzungen, die anstelle von Glimmer mit .um-Körnung fein verteiltes Aluminiumoxid enthielten, bis zu einer Tiefe bzw. Dicke von G-,889 mm aufgesprüht werden können, ohne daß es nachfolgend zu Schuppenbildung oder Abblättern kommt.

Erfindungsgemäße Überzug'-usammensetzungen

1.IgIHIl 311.11 LrcaÜllUCI 3 ^.Ul T Cl WCIlUUl'^ ΛΙΛ VT €11 IltCL/Ul -riere-Überzüge in Gasturbinentriebwerken; jedoch sind sie in ihrer Anwendung nicht auf derartige Triebwerke beschränkt. So können die Überzüge beispielsweise als Wärmebarriere-Überzug an Gasturbinentriebwerks-Scheiben sowie an aerodynamischen Rotor- und Stator-Schaufeln Anwendung finden. Darüber hinaus bestehen offensichtlich zahlreiche anderweitige Anwendungsmöglichkeiten, bei denen erfindungsgemäße Überzugszusammensetzungen als wirksame Wärmebarriere dienen können.

Claims

Patentansprüche:

1. Mischung zur Verwendung als Warmebarriere-Oberzug auf der Basis von hohlen Glaskugelchen und anorganischem Bindemittel, dadurch ge- ^ kennzeichnet, daß sie fein verteilte hohle Glasmikrokügelchen. fein verteilte Teilchen einer Keramikfritte sowie fein verteilte Teilchen eines hitzebeständigen Füllmaterials in einem Bindemittel suspendiert enthält. u>

2. Überzugsmischung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der Verhältnisanteil des hitzebeständigen Füllmaterials zu den hohlen Glasmikrokügelchen und zu der Keramikfritte sich wie 40 :33 :27 jeweils in Gewichtsteilen verhält. ι s

3. Überzugsmischung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil eines beliebigen der Bestandteile um bis zu 50 Gewichts-% verringert und die Gewichtsanteile sämtlicher übriger Bestandteile jeweils um einen der Hälfte der Gewichtsverringerung des genannten einen Bestandteils entsprechenden Wert erhöht ist.

4. Überzugsmischung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Gesamtgewichtsanteils aus dem hitzebeständigen Füllmaterial, den hohlen Glasmikrokügelchen und der Keramikfritte zum Gewichtsanteil des Bindemittels einen Wert im Bereich von 1 :0,75 bis 1 :1,1 besitzt.

5. Überzugsmischung nach einem oder mehreren jo der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie als hitzebeständiges Füllmaterial Glimmer in μπι-Körnung. fein verteiltes Aluminiumoxid oder fein verteilten Muilit enthält.

6. Überzugsmischung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikfritte ein Alkali-Silicai-Titanat-Glasist.

7. Überzugsmischung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die hohlen Glasmikrokügelchen aus Calcium Aluniino-Silicat hergestellt sind.

8. Überzugsmischung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Bindemittel Natrium-Silicat, Kalitim-Silie.it oder Aluminiumorthophosphat enthält.