DE4015010C2 - Metallbauteil mit einer wärmedämmenden und titanfeuerhemmenden Schutzschicht und Herstellungsverfahren - Google Patents
Metallbauteil mit einer wärmedämmenden und titanfeuerhemmenden Schutzschicht und HerstellungsverfahrenInfo
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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 wärmedämmende 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 oxidische Schicht einlagig ist und 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.
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 (11)
1. Metallbauteil mit einer wärmedämmenden Schutzschicht, die aus
einer haftvermittelnden Grundschicht und einer wärmedämmenden
oxidischen Schicht besteht, dadurch gekennzeichnet,
daß die oxidische Schicht einlagig ist und
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 Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Deckschicht (4) aus Aluminium besteht.
8. Metallbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Deckschicht (4) 1 bis 2 mm dick ist.
9. Metallbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Deckschicht (4) eine anodisch oxidierte
Aluminiumschicht aufweist.
10. Metallbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Deckschicht (4) gleichmäßig verteilte Alumi
niumoxidlamellen aufweist.
11. Verfahren zur Herstellung eines Metallbauteils nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das Metallbauteil (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.
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