DE3325034C2 - Verfahren zum Schützen eines Bauteils vor übermäßiger Erwärmung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Schützen eines Bauteils gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Das erfindungsgemäße Verfahren soll insbesondere dazu dienen, ein solches Bauteil vor übermäßiger Er­ wärmung zu schützen, dessen eine Oberfläche einer Hoch­ geschwindigkeits-Gasströmung ausgesetzt ist, und zwar unter Verwendung von Beplankungselementen, die aus hochtemperatur­ festem Gewebematerial gebildet und mit der genannten Oberfläche des Bauteils verklebt sind.

Ein Verfahren dieser Art ist aus der US 37 12 566 bekannt. Diese Druckschrift zeigt ein Verfahren zum thermischen Schutz der Stabilisierungsflosse eines Hochgeschwindig­ keits-Flugkörpers, bei dem die der Gasströmung ausgesetzte Oberfläche der Stabilisierungsflosse mit Hilfe von drei überlagerten Beplankungselementen geschützt wird, wobei das letzte der drei überlagerten Elemente lediglich im vordersten Bereich der Stabilisierungsflosse befestigt wird. Jedes dieser Beplankungselemente besteht aus einem Silikatgewebe, das dicht verwoben und imprägniert ist, wodurch ein hochtemperaturfestes Gewebematerial gebildet wird. Die Befestigung dieser bekannten Beplankungselemente auf der Stabilisierungsflosse bzw. einem darunterliegenden Beplankungselement erfolgt durch Erhitzen auf mindestens 250°C und gleichzeitiges Ausüben eines relativ hohen Drucks, wodurch das Imprägniermittel des Silikatgewebes schmilzt und eine Verklebung hervorruft.

In der Zeitschrift "Raumfahrtforschung", Heft 2/1971, Seiten 60 ff., ist ein weiteres Verfahren dieser Art be­ schrieben, bei dem u. a. vorgeschlagen wird, die gefährdeten Teile eines Space-Shuttles durch nicht-metallische Hitze­ schilde bzw. Beplankungselemente thermisch zu schützen, wobei diese Hitzeschilde aus einem mehrfach verwobenen Keramik­ fasergewebe bestehen. Die Hitzeschilde werden mittels eines in einer sehr dünnen Schicht aufgebrachten Klebers an der Oberfläche des Space-Shuttles befestigt.

Als nachteilig bei dem erstgenannten Verfahren ist es anzusehen, daß die Beplankungselemente aufgrund der zu er­ zeugenden Wärme und des erforderlichen Preßdrucks nur mit hohem Material- und Zeitaufwand befestigt werden können. Darüber hinaus ist die Schutzwirkung vor Feuchtigkeit und dergleichen nicht unter allen Umständen befriedigend. Im Falle des aus der Zeitschrift "Raumfahrtforschung" bekannten Verfahrens ist es nachteilig, daß die dortigen Schutzschilde relativ starre Gebilde sind, so daß sich ihre Befestigung entsprechend schwierig und zeitaufwendig gestaltet. Auch der erforderliche dünne Auftrag des Klebers erhöht die Schwierigkeiten bei der Befestigung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, daß eine wesentlich kostengünstigere Befestigung und gleichzeitig eine hohe Schutzwirkung erzielbar sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit in den im Kenn­ zeichnungsteil des Anspruchs 1 angegebenen Verfahrensschritten gelöst.

Erfindungsgemäß erfolgt die Verklebung der Oberfläche des Bauteils mit den Beplankungselementen demnach mittels eines gieß- bzw. streichfähigen Silikonkautschuks; Unter­ suchungen haben überraschend ergeben, daß handelsübliche Si­ likonkautschukmaterialien eine ausreichende Klebkraft besitzen, um einen sicheren Halt der Beplankungselemente an der Oberfläche zu gewährleisten. Aufgrund der guten Gieß- bzw. Streichfähigkeit von Silikonkautschuk ist das Befestigen der Beplankungselemente jedoch wesentlich einfacher und damit preisgünstiger als dies bei einer Thermo- Druckbefestigung oder bei Verwendung eines herkömmlichen, entsprechend dünn aufzutragenden Klebers der Fall ist. Dadurch, daß die der Hochgeschwindigkeits-Gasströmung ausgesetzte Oberfläche der Beplankungselemente mit einer an ihrer Außenschicht metallischen Polyesterfolie versehen wird, wird darüber hinaus ein hervorragender Schutz vor Feuchtigkeit erzielt, ohne dadurch die Beplankungselemente in nennenswertem Maße starrer werden zu lassen, so daß hierdurch die einfache Befestigung der Beplankungselemente im Gegensatz zu den bekannten Schutzschilden nicht beein­ trächtigt wird.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Aus der US 30 06 403 ist eine spezielle Ausbildung von Isolationsmaterialien bekannt, die zum thermischen Schutz eines Bauteils vor einem anderen Bauteil dient, das eine wesentlich höhere Betriebstemperatur aufweist. Für eine bessere Isolation sind diese bekannten Materialien ferner mit einer Palladiumschicht versehen. Die US 30 52 019 offenbart Isolationsmatten zur Verwendung in Flugzeugen, die aus einem Kern bestehen, der von einer Fiberglasmatte um­ geben ist; die derart aufgebauten Matten dienen primär zum Ausfüllen von Hohlräumen innerhalb des jeweiligen Flugzeugs. Diese Druckschriften beziehen sich demnach nicht auf Verfahren zum Schutz eines Bauteils vor einer Gasströmung.

Die US 43 08 309 hat die Herstellung eines Zwischenstücks zum Gegenstand, das zum Ausfüllen der Hohlräume zwischen benachbarten Keramikschilden auf der Oberfläche eines Tragflügels vorgesehen ist. Dieses Zwischenstück weist an seinen oberen und unteren Rändern jeweils einen Überzug aus Silikonkautschuk auf. Diese Druckschrift bezieht sich somit ebenfalls auf einen anderen Anwendungszweck als die Erfindung.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Teilschnitt durch ein vorgefertigtes Be­ plankungselement unmittelbar vor seiner Aufbringung auf die darunterliegende vorbeschichtete Oberfläche eines Bauteils und

Fig. 2 einen Fig. 1 entsprechenden Schnitt nach Abschluß der Beschichtung des Bauteils.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, weist ein für das erfin­ dungsgemäße Verfahren verwendetes Bauteil 1 eine Oberfläche 2 auf, die mit einer insgesamt mit 3 bezeichneten Beschichtung vor über­ mäßigem Wärmeeinfall in einer Hochgeschwindigkeits-Gasströmung zu schützen ist. In der aus Fig. 1 ersichtlichen Weise besteht die Beschichtung 3 aus unmittelbar auf die Oberfläche 2 des Bauteils 1 aufgebrachtem Beschichtungs­ material 3a und einem vorgefertigtem Beplankungselement 3b.

Hauptbestandteil des Beplankungselementes 3b ist hoch­ temperaturfestes Gewebe 4. Dieses kann - einlagig oder auch mehrlagig, in diesem Fall beispielsweise versteppt oder verklebt - als Beplankungselement auf das Beschichtungs­ material 3a aufgedrückt werden und nach dessen Verfestigung durch das Beschichtungsmaterial 3a im Sinne eines Klebers an der Oberfläche 2 befestigt werden. Im Beispielsfalle jedoch weist das Beplankungselement 3b außer dem Gewebe 4 auf Seiten der Oberfläche 2 des Bauteils 1 eine Innen­ beschichtung 5 und auf seiner Außenseite eine Außenschicht 6 sowie dazwischen ein einlagiges Gewebe 4 auf, wie dies weiter unten im einzelnen noch näher erläutert ist.

Das Beschichtungsmaterial 2a ist in der veranschaulichten Ausführungsform ein Silikonkautschuk mit Raumtemperatur­ vernetzung. Es kann wahlweise ein Einkomponenten-Silikon­ kautschuk etwa vom Typ Elastosil (eingetr. Warenzeichen der Firma Wacker Chemie) oder ein Zweikomponenten-Silikon­ kautschuk verwendet werden. Silikonkautschuke sind bekanntlich Polymere mit Siloxan-Bindungen, die durch Kondensation oder Addition vernetzen. Bevorzugt werden jedoch additionsvernetzte Kautschuke, bei denen zur Vulkanisation eine Reaktion einer am Kettenende befindlichen Vinylgruppe mit einer Silicium-Wasserstoffgruppe eines Wasserstoffsiloxans stattfindet. Diese Reaktion ist bei erhöhter Temperatur nicht rückläufig und bildet kein Nebenprodukt.

Im übrigen ist die Wahl eines geeigneten Silikonkautschuks weitgehend Zweckmäßigkeitsüberlegungen für den vorliegenden Anwendungsfall unterworfen, wobei natürlich auf möglichst gute Temperaturbeständigkeit geachtet werden sollte und für eine optimale Verarbeitung geeignete Parameter hin­ sichtlich Verarbeitungszeit, Abbindezeit usw. gewählt werden sollten, was dem Fachmann im einzelnen überlassen bleiben kann.

Der Silikonkautschuk der Beschichtung 3a ist auf die ge­ reinigte Oberfläche 2 beispielsweise mittels pneumatischer Pistole, Zahnspachtel oder Traufel aufgetragen, wobei es, wie auch die Darstellung in Fig. 1 veranschaulicht, auf eine exakt gleichförmige Beschichtungsdicke nicht ankommt. Die Beschichtungsdicke kann örtlich gemäß den gewählten Auftrageverfahren schwanken und beträgt beispielsweise 1 bis 2 mm, wobei infolge der nachfolgenden Abdeckung und Anbringung der Beschichtung 3a durch das Beplankungselement 3b eine entsprechende Egalisierung erfolgt. Bei Bedarf kann die Oberfläche 2 insbesondere im Falle eines Bauteils 1 aus Metall nach der Reinigung noch einen Anschliff mittels einer Vibrationsflächenschleifmaschine sowie eine Grundierung mit einem an sich bekannten Primer erhalten, um die einwandfreie Haftung des Beschichtungsmaterials 3a zu verbessern.

Die Beplankungselemente 3b werden zunächst in Bahnform vor­ gefertigt und entweder in Bahnform oder bereits in Zuschnitten angeliefert. Hierzu wird zunächst zur Bildung des Gewebes 4 eine Gewebebahn in einer Breite von beispielsweise etwa 1 m endlos vorgefertigt und mit der Außenschicht 6 versehen. Entweder vor oder nach einem Zuschnitt wird das Gewebe 4 an seiner der Außenschicht 6 gegenüberliegenden Seite mit der Innenbeschichtung 5 versehen. Soweit der Zuschnitt im Zuge der Herstellung der Beschichtung 3 erfolgt, ist die entsprechend ausgerüstete Gewebebahn als Beplankungselement aufzufassen; die Gewebebahn wird nach ihrer Anlieferung zur Beschichtung des Bauteils 1 entsprechend den für die Beschichtung benötigten Einzelelementen zugeschnitten, was jedoch nach Angaben des Benutzers auch bereits im Zuge der Herstellung bzw. der Ausrüstung der Gewebebahn erfolgen kann.

Als Gewebe 4 wird bevorzugt ein Silicat-Filamentgewebe verwendet, welches zu 96 bis 99 Gew.-% aus amorphem SiO₂ besteht. Dies verleiht dem Silicat-Filamentgewebe eine Hochtemperaturbeständigkeit von etwa 1000°C sowie einen Schmelzpunkt von über 1600°C, wobei kurzzeitige Temperatur­ belastungen bis 1260°C noch zu keinen Zerstörungen führen. Silicat-Filamentgewebe können weder entflammen, glimmen, noch durch Beflammung zestört werden, und besitzen niedrige Wärmeleitzahl und geringe Wärmespeicherung, so daß sie sich zumal im Hinblick auf die hohe Reißfestigkeit und Flexibilität für den hier vorliegenden Belastungsfall grundsätzlich hervorragend eignen. Das im Beispielsfalle verwendete Silicat-filamentgewebe besteht aus Multifilament-Fäden, die zu Webgarn gezwirnt und so im Webautomaten verarbeitet werden. Die Art der Bindung ist dabei grundsätzlich nicht von Bedeutung, jedoch ist eine Bindung bevorzugt, bei der sich eine möglichst geschlossene Oberfläche auf seiten der Außenschicht 6 ergibt, wozu sich beispielsweise eine 1 : 2- Bindung eignet, wie sie in der Zeichnung schematisch ver­ anschaulicht ist. Gute Ergebnisse wurden mit einer Satin- Bindung erzielt, bei der sich eine besonders glatte Ober­ flächenausbildung ergibt.

Die im Beispielsfalle verwendeten Silicat-Filamente wiesen folgende chemische Zusammensetzung auf:

SiO₂
97,85 Gew.-%
TiO₂	0,80 Gew.-%
Al₂O₃	0,71 Gew.-%
CaO	0,23 Gew.-%
MgO	0,17 Gew.-%
B₂O₃	0,16 Gew.-%
Na₂O	0,03 Gew.-%
Fe₂O₃	0,01 Gew.-%
ZrO₂	0,01 Gew.-%
Cr₂O₃	<0,01 Gew.-%
CuO	<0,01 Gew.-%
NiO	<0,01 Gew.-%

Für die Innenbeschichtung 5 wurde wiederum Silikonkautschuk gewählt, für den grundsätzlich dieselben Überlegungen zutreffen, wie für den Silikonkautschuk des Beschichtungsmaterials 3a, so daß hierauf verwiesen werden kann. Die Innenbeschichtung 5 aus Silikonkautschuk dient zur Ver­ besserung der Haftvermittlung zwischen den Beplankungs­ element 3b und dem Beschichtungsmaterial 3a zur Verklebung.

Für die Außenschicht 6 wird im Beispielsfalle eine Polyesterfolie aus Polyethylen-Terephthalat verwendet, das durch Kondensation von Ethylenglykol und Terephthalsäure entsteht. Eine solche Folie wird von der Firma DU PONT unter der Markenbezeichnung MYLAR vertrieben, wobei im Beispielsfalle eine Folie vom Typ A gemäß diesem Angebot mit einer Foliendicke von 23 µm verwendet wurde. Derartiges Material besitzt eine Feuchtigkeitsaufnahme von weniger als 0,8% und kann unter Freibewitterungsbedingungen im wesentlichen als feuchtigkeitsdicht bezeichnet werden. Die ggf. geringe aufgenommene Feuchtigkeit kann zwar zur Zerstörung der Außenschicht 6 führen, wenn diese einer Hochgeschwindigkeits-Gasströmung ausgesetzt wird und sich dabei über 100°C hinaus erwärmt, jedoch wird eine solche Folie ohnehin bei Temperaturen oberhalb von etwa 200·C zerstört, und hat auch im eigentlichen Belastungsfall keine Funktion mehr. Insbesondere ist eine Abdeckung der der Außenschicht 6 benachbarten Oberfläche des Gewebes 4 nicht erforderlich, da die aerodynamischen Oberflächen­ eigenschaften des Gewebes 4, zumal bei Wahl einer besonders geeigneten Gewebebindung, in der einleitend geschilderten Weise außerordentlich gut sind und die Umströmungsbedingungen des Bauteils 1 nicht merklich verschlechtern. Darüber hinaus wird zur Befestigung der Außenschicht 6 am Gewebe 4 zweckmäßig eine dünne Schicht 7 eines Klebers, zweckmäßig ebenfalls eines Silikonkautschuks verwendet, der höhere Temperaturbeständigkeit als die MYLAR-Folie der Außenschicht 6 aufweist und die Oberfläche des Gewebes 4 zusätzlich glättet. Jedoch auch nach Verdampfung des Silikonkautschuks der Schicht 7 bei etwa 500°C wird die mechanische Integrität des Gewebes 4 noch längst nicht angetastet, so daß spätestens dann die aerodynamischen Oberflächeneigenschaften des Gewebes 4 selbst zum Tragen kommen.

Sowohl zur weiteren Verbesserung der Feuchtigkeitsdichtheit und Verminderung der Feuchtigkeitsaufnahme des Materials der Beschichtung 6 als auch zur Verbesserung der Wärmeabstrahlung ist zumindest die dem Gewebe 4 abgewandte Seite der Außenschicht 6 mit einer dünnen metallischen Oberflächenschicht 8 versehen, im Beispielsfalle im Vakuum mit Aluminium bedampft. Hierdurch ergibt sich eine glänzende Außenoberfläche der Außenschicht 6 zur Verbesserung der Wärmereflektion und Wärmeabstrahlung sowie insgesamt zur Verbesserung der optischen Wirkung der Be­ schichtung 3.

Der erläuterte Aufbau der Beschichtung 3 ergibt insbesondere infolge der Hochtemperaturbeständigkeit des funktionell im Betrieb außenliegenden Silicat-Filamentgewebes 4 eine hohe Wärmebeständigkeit und eine hervorragende Wärmedämmung gegen aerodynamische Erwärmungen; die Oberflächenschicht 8 der Außenschicht 6 ergibt überdies eine ausgezeichnete Wärmereflexion. Die Beschichtung ist sowohl im Zustand nach ihrer Aufbringung mit der Außen­ schicht 6 als auch nach Zerstörung der Außenschicht 6 völlig resistent gegen erosive Belastungen infolge von Gasanströmungen. Insgesamt zeichnen sich die mechanischen Eigenschaften durch hohe Zugfestigkeit, Druckfestigkeit, Kompressibilität, Biegefestigkeit und hervorragendes Haft­ verhalten aus. Weiterhin ergibt sich eine ausgezeichnete chemische Beständigkeit; die Beschichtung 3 ist auch dekontaminierbar.

Zur Herstellung der Beschichtung wird aus der vorgefertigten, im Beispielsfalle beidseitig beschichteten Gewebebahn die gewünschte Anzahl von Einzel-Beplankungselementen 3b in der jeweils benötigten Form mittels Schablonen nach entsprechendem Aufriß herausgeschnitten. Nach Aufbringen des Beschichtungsmaterials 3a und ggf. entsprechender Vor­ behandlung der Oberfläche 2 wird jedes Beplankungselement 3b aufgelegt und mittels Gummiwalzen verdichtet und ein­ gerollt, so daß sich eine gute gleichförmige Haftung bei gleichzeitiger Egalisierung des Beschichtungsmaterials 3a ergibt. Anschließend erfolgt das Versiegeln der Segmentstöße zwischen den einzelnen Beplankungselementen beispielsweise mit transparentem Silikonkautschuk.

Insbesondere durch die Vorfertigung der bahnförmigen oder zugeschnittenen Beplankungselemente 3b in Form des Gewebes 4 alleine oder mit manchen oder sämtlichen der geschilderten Beschichtungen ergibt sich eine kostengünstige Vorfertigung und insbesondere eine problemlose Montage der Beschichtung 3, so daß gegenüber einer Beschichtung aus­ schließlich mit Silikonkautschuk im Formgußverfahren eine insgesamt von der thermischen und mechanischen Widerstands­ fähigkeit her höherwertige Beschichtung 3 auf einfache und erheblich konstengüsntigere Weise erzeugt werden kann.

Claims (8)

1. Verfahren zum Schützen eines Bauteils, dessen eine Oberfläche einer Hochgeschwindigkeits-Gasströmung ausgesetzt ist, vor übermäßiger Erwärmung unter Verwendung von Beplan­ kungselementen, die aus hochtemperaturfestem Gewebematerial gebildet und mit der genannten Oberfläche des Bauteils verklebt sind, dadurch gekennzeichnet, daß

• (a) die Verklebung der Oberfläche des Bauteils (1) mit den Beplankungselementen (3b) mittels eines gieß- bzw. streich­ fähigen Silikonkautschuks (3a) erfolgt und daß
• (b) die der Hochgeschwindigkeits-Gasströmung ausgesetzte Oberfläche der Beplankungselemente (3b) mit einer an ihrer Außenschicht metallischen Polyesterfolie (6) versehen ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polyesterfolie (6) aus durch Kondensation von Ethylenglykol und Terephthalsäure gebildetem Polyethylen- Terephthalt gebildet ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Polyesterfolie (6) im Vakuum aufgedampft wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Silikonkautschuk (3a) eine Raumtempe­ raturvernetzung aufweist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewebematerial (4) aus Silikat- Filament gebildet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewebematerial (4) einlagig in einer Dicke von 1 bis 2 mm ausgebildet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewebematerial (4) einlagig in einer Dicke von 1,5 mm ausgebildet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewebematerial (4) in Satin-Bindung gefertigt wird.