DE4015010C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Metallbauteil mit einer wärmedämmenden Schutzschicht, die aus einer wärmedämmenden oxidischen Schicht besteht, sowie ein Verfahren zur Herstellung dieser Schicht.

Metallbauteile mit wärmedämmenden Schutzschichten aus Zirkoniumdioxid sind aus der Veröffentlichung G. Johner und K.K. Schweitzer, (J.Vac.Sci. Technol. A3 (6), Nov/DEc 1985, Seiten 2516 bis 2624) be­ kannt. Ein Nachteil dieser Schutzschichten ist, daß aufgrund der hohen Dichte von Zirkoniumdioxid und der Dicke der Schichten, die Metallbauteile eine erhebliche Gewichtszunahme erfahren. Ferner wird die Dicke durch mehrlagiges Plasmaspritzen erreicht, was bei hohen Betriebstemperaturen wie sie in Gasturbinentriebwerken auftreten, zu erheblichen Materialspannungen zwischen den Lagen untereinander und zwischen Schutzschicht und Grundwerkstoff des Metallbauteils führt, so daß die Schutzschicht lagenweise abplatzt.

Aus US-PS 39 18 925 ist ein Bauteil aus "Ti-8.Al-1.Mo-1.V" bekannt, das mit einer Ni-Al Grundierung als haftvermittelnde Grundschicht, einer oxidischen Schicht als wärmedämmender Schutzschicht und einer metallischen abreibbaren Deckschicht, die metallische Fasern, Pulver oder Waben enthält, beschichtet ist. Dieser Schichtaufbau hat den Nachteil, daß eine titanfeuerhemmende Wirkung nicht gewährleistet ist, dazu fehlt dieser Schicht eine Komponente, die durch Aufnahme hoher Verdampfungswärme die Wärmeenergie von schmelzflüssigen Titan­ tröpfchen eines Titanfeuers vernichtet.

Metallbauteile mit titanfeuerhemmender Schutzschicht aus Aluminium sind aus DE-PS 39 06 187 bekannt. Der Schutzmechanismus durch Ver­ dampfen von Aluminium hat den Nachteil eines sehr ungleichmäßigen Verbrauchs der Aluminiumschutzschicht. Dieser kann lokal bis zum völligen Fehlen der Schutzschicht und entsprechender thermischer Be­ anspruchung des zu schützenden Bauteils mit der Gefahr einer Um­ strukturierung oder einer Umkristallisation der Oberfläche oder einer Zündung des Grundwerkstoffs des Metallbauteils beispielsweise aus einer Titanlegierung führen.

Eine Umkristallisation oder Umstrukturierung der Metallbauteilober­ fläche bei lokaler Überhitzung hat den Nachteil einer Verringerung der Festigkeit.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Metallbauteil anzu­ geben, das vor lokaler Überhitzung wie sie beim Einwirken von Titan­ feuer auftritt geschützt ist, Reparatur und Wartungsintervalle für Titanfeuer gefährdete Metallbauteile zu verlängern und ein kosten­ günstiges Verfahren zur Herstellung eines derartigen Metallbauteils aufzuzeigen.

Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß die Schutz­ schicht eine titanfeuerhemmende metallische Deckschicht aufweist.

Diese Lösung hat den Vorteil, daß sie die titanfeuerhemmenden Eigen­ schaften der Deckschicht mit den wärmedämmenden Eigenschaften der Zwischenschicht kombiniert und sich damit nicht nur die Addition der Eigenschaften dieser Schichten ergibt, sondern daß im Zusammenwirken dieser Beschichtungen eine höhere Lebensdauer der Metallbauteile, eine Gewichtseinsparung gegenüber reinen Wärmedämmschichten und eine geringere Beeinträchtigung der Flächenstruktur des Metallbauteils bei Titanfeuerbelastung als durch eine reine titanfeuerhemmende Schicht erreicht wird. Diese Verbesserung der Lebensdauer bringt wirtschaft­ liche Vorteile, da Reparatur- und Wartungsintervalle vergrößert wer­ den können.

In einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung besteht das Metallbau­ teil aus einer Titanbasislegierung und ist mit einer Nickellegierung als Grundschicht beschichtet, die vorzugsweise 2 bis 10 Gew.-% Alumi­ nium enthält. Diese Grundschicht bildet vorteilhaft eine rauhe Ober­ fläche aus, so daß die nachfolgenden Schichten fest am Metallbauteil haften.

Die Zwischenschicht weist vorzugsweise eine Dicke von 50 bis 300 µm auf, so daß vorteilhaft Materialspannungen zwischen der Metallbau­ teiloberfläche und der wärmedämmenden, oxidischen Zwischenschicht ausgeglichen werden.

Die wärmedämmende Zwischenschicht besteht vorzugsweise aus einer Zirkoniumdioxidschicht teilstabilisiert mit 6 bis 8 Gew.-% Yt­ triumoxid. Diese Zusammensetzung besitzt in Zusammenwirken mit der titanfeuerhemmenden Deckschicht eine erhöhte Thermoschockbeständig­ keit. Das Yttriumoxid bewirkt vorteilhaft eine Teilstabilisierung der tetragonalen Phase des Zirkoniumdioxids, so daß der thermisch be­ dingte Volumensprung zur monoklinen Phase teilweise unterdrückt wird.

Eine bevorzugte Ausbildung der Zwischenschicht weist eine Dicke von 10 bis 100 µm auf. Derartig dünne Zwischenschichten haben den Vorteil, daß sie auch bei thermisch hoher Belastung fest auf der Grundschicht haften und einen ausreichenden Wärmedämmschutz bei Titanfeuerangriff bilden.

Die Zwischenschicht wird vorzugsweise einlagig ausgebildet, so daß Materialspannungen, wie sie bei mehrlagigem Aufbau auftreten, ver­ mieden werden.

Aluminium zeichnet sich durch eine für Metalle niedrige Verdampfungs­ temperatur bei gleichzeitig hoher Verdampfungswärme aus und wird des­ halb vorzugsweise als titanfeuerhemmender Werkstoff eingesetzt.

Eine bevorzugte Schichtdicke von 1 bis 2 mm für die titan­ feuerhemmende Deckschicht hat den Vorteil, daß sie nicht zu dick ist und deshalb die mechanischen Eigenschaften des Metallbauteils nicht beeinträchtigt und andererseits dick genug ist, um für einen Titan­ feuerangriff ausreichend verdampfbare Masse zur Verfügung zu stellen.

In der Deckschicht sind vorzugsweise Aluminiumoxidlamellen eingela­ gert, was die Gefahr eines vollständigen Abdampfens der titanfeuer­ hemmenden Schicht vermindert. Dazu sind diese Oxidlamellen hori­ zontal ausgerichtet.

Die Deckschicht kann in einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung eine anodisch oxidierte Aluminiumschicht tragen, die ihre Oberfläche versiegelt und gegen Oxydation schützt.

Die Aufgabe ein Verfahren zur Herstellung eines Metallbauteils nach Anspruch 1 anzugeben wird durch folgende Verfahrensschritte gelöst: das Metallbauteil wird auf 100 bis 180°C vorgewärmt und in oxydieren­ der Atmosphäre werden nacheinander die Grundschicht, die Zwischen­ schicht und die Deckschicht thermisch aufgespritzt.

Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß der gesamte Schichtaufbau von der Grundschicht bis zur Deckschicht in einer Anlage erfolgen kann, so daß das Metallbauteil nur einmal für den Beschichtungsprozeß zu präparieren ist. Ferner kann der Beschichtungsprozeß in sauerstoff­ haltiger Atmosphäre erfolgen und erfordert weder Vakuum noch Schutz­ gasatmosphäre, so daß er kostengünstig und für Massenanfertigungen geeignet ist.

Die sauerstoffhaltige Atmosphäre hat beim Aufspritzen einer titan­ feuerhemmenden Deckschicht auf Aluminiumbasis den weiteren Vorteil, daß horizontal ausgerichtete Aluminiumoxidlamellen eingebaut werden.

Eine definierte eingelassene Zwischenschicht ist mit diesem Verfahren ebenfalls kostengünstig herstellbar.

Anhand einer bevorzugten Ausführungsform in Fig. 1 wird die Erfindung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt den Aufbau eines Metallbauteils 1 mit einer wärme­ dämmenden Schutzschicht, die sich aus einer haftvermittelnden me­ tallischen Grundschicht 2, einer wärmedämmenden oxidischen Zwischen­ schicht 3 und einer titanfeuerhemmenden metallischen Deckschicht 4 zusammensetzt. Der Grundwerkstoff des Metallbauteils 1 ist eine Titanbasislegierung. Als haftvermittelnde Grundschicht 2 wird eine Nickellegierung mit 5 Gew.-% Aluminium thermisch aufgespritzt. Auf diese Grundschicht 2 wird eine 50 µm dicke Zwischenschicht 3 aus Zir­ koniumdioxid mit 7 Gew.-% Yttriumoxid aufgetragen. Abschließend wird eine 1,5 mm dicke Deckschicht 4 aus Aluminium in sauerstoffhaltiger Atmosphäre thermisch aufgespritzt, so daß sich in der Schichtstruktur gleichzeitig Aluminiumoxidlamellen bilden.

Claims (12)

1. Metallbauteil mit einer wärmedämmenden Schutzschicht, die aus einer haftvermittelnden Grundschicht und einer wärmedämmenden oxidischen Schicht besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht eine titanfeuerhemmende metallische Deckschicht (4) aufweist.

2. Metallbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundschicht (2) eine haftverbessernde thermische Spritzschicht aus NiAl, NiCrAl oder MCrAlX mit M aus Fe, Co oder Ni und X aus Hf oder einem seltenen Erdmetall ist.

3. Metallbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundschicht (2) aus einer Nickellegierung mit 2 bis 10 Gew.-% Aluminium besteht.

4. Metallbauteil nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundschicht (2) eine Dicke von 50 bis 300 µm aufweist.

5. Metallbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (3) aus Zirkoniumdioxid teilstabilisiert mit 6 bis 8 Gew.-% Yttriumoxid besteht.

6. Metallbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Zwischenschicht (3) eine Dicke von 10 bis 100 µm aufweist.

7. Metallbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Zwischenschicht (3) einlagig ist.

8. Metallbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht (4) aus Aluminium besteht.

9. Metallbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Deckschicht (4) 1 bis 2 mm dick ist.

10. Metallbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Deckschicht (4) eine anodisch oxidierte Aluminiumschicht aufweist.

11. Metallbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Deckschicht (4) gleichmäßig verteilte Alumi­ niumoxidlamellen aufweist.

12. Verfahren zur Herstellung eines Metallbauteils nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Meallbauteil (1) auf 100°C bis 180°C vorgewärmt wird und nacheinander die Grundschicht (2), die Zwischenschicht (3) und die Deckschicht (4) durch thermisches Spritzen aufgetragen werden.