DE4343845A1 - Verfahren zum Schutz von Faserverbundwerkstoffen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Schutz von Faserverbundwerkstoffen gemäß dem Oberbegriff des Patentan­ spruches 1.

Keramische Faserverbundwerkstoffe besitzen eine hohe Tempera­ turwechselbeständigkeit, eine geringe Wärmekapazität und gute Wärmedämmfähigkeiten. Sie werden beispielsweise zur Isolation von Gasturbinen gegen Heißgasströme eingesetzt. Sie sind dabei den zerstörenden Angriffen von Gaskomponenten und Schlacken ausgesetzt, die im Gas mitgeführt werden. Die Zerstörung des Faserverbundwerkstoffes verläuft umso schneller, je höher die Partikelladung des Gasstromes und die Temperatur in den An­ lagen ist. Um die Oberfläche der Faserverbundwerkstoffe gegen die zerstörenden Einwirkungen zu schützen, werden diese bei­ spielsweise mit einem Solhärter getränkt. Dadurch werden die Faserverbundwerkstoffe etwas beständiger gegen mechanischen Abrieb, jedoch sind sie weiterhin den korrosiven Einwirkungen der Gasströme ausgesetzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren aufzu­ zeigen, mit dem Oberflächen von Faserverbundwerkstoffen op­ timal geschützt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Pa­ tentanspruches 1 gelöst.

Erfindungsgemäß wird auf die Oberfläche des Faserverbundwerk­ stoffes ein Überzug aus keramischem Material aufgetragen und dauerhaft mit der Oberfläche verbunden. Zur Ausbildung des Überzugs wird eine Suspension aus Aluminosilikat, Aluminium­ dioxid, Zirkoniumdioxid oder Siliziumcarbid gebildet. Als Sus­ pensionsmittel wird Wasser oder Alkohol verwendet. Zur Ausbil­ dung des Überzuges wird die Suspension durch Sprühen, Tauchen oder mittels eines anderen bekannten Verfahrens auf die Ober­ fläche des Faserverbundwerkstoffes aufgetragen. Anschließend wird der Überzug zusammen mit dem Faserverbundwerkstoff einer Wärmebehandlung bei etwa 1550°C unterzogen. Hierbei wird das Suspensionsmittel verdampft. Zurückbleibt ein keramischer Überzug, der dauerhaft mit der Oberfläche des Faserverbund­ werkstoffes verbunden ist. Durch Zugabe eines Zusatzes zu der Suspension kann erreicht werden, daß der Überzug eine Porosi­ tät von etwa 5% aufweist. Falls es die Gegebenheiten er­ fordern, kann zur Ausbildung des Überzuges eine weitere Sus­ pension mit der gleichen Zusammensetzung aufzutragen werden. Hierbei wird lediglich die Korngröße des verwendeten kerami­ schen Materials kleiner gewählt wird. In diesem Fall ist eine weitere Wärmebehandlung bei 1500°C erforderlich. Der ausgebildete Überzug weist dann eine Schichtstruktur auf, deren Dichte von außen nach innen zum Faserverbundmaterial hin graduell abnimmt. Der Überzug kann auf seiner Oberfläche glatt oder mit Rillen zu versehen sein. Die Geometrie der Rillen wird so gewählt, daß eventuell auftretende Risse im Überzug, in denen sich thermomechanische Spannungen abbauen, in den Vertiefungen der Rillen entstehen. Dadurch werden die Schwach­ stellen vor den zerstörenden Einwirkungen der im Gas mitge­ führten Partikel geschützt. Auf den noch nicht wärmebehan­ delten Überzug kann zusätzlich eine organische oder anorga­ nische aluminiumhaltige Lösung aufgetropft werden, welche in die Oberfläche des Überzuges eindringt. Bei der anschließenden Wärmebehandlung wird das Lösungsmittel verdampft. Es bildet sich dabei ein Aluminiumdioxid in dem Überzug aus, das eine festigende und bindende Wirkung hervorruft. Weitere erfin­ dungswesentliche Merkmale sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von schematischen Zeich­ nungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen mit einem Überzug versehenen Faserverbund­ werkstoff,

Fig. 2 einen Überzug mit einer zusätzlichen Verstärkung,

Fig. 3 einen Faserverbundwerkstoff nach Fig. 1, dessen Überzug mit Rillen versehen ist.

Fig. 1 zeigt ein Bauelement 1, das aus einem Faserverbund­ werkstoff gefertigt ist. Dieser wird aus Keramikfasern ge­ fertigt, die mit einem Bindemittel vergossen werden. Dieses Herstellungsverfahren gehört zum Stand der Technik. Um die Oberfläche 15 des Bauelementes 1 vor korrosiven Einwirkungen zu schützen, ist auf diese ein Überzug 2 aufgetragen. Dieser wird durch ein Keramikpulver gebildet. Hierfür wird Aluminosi­ likat, Aluminiumdioxid, Zirkoniumdioxid oder Siliziumcarbid in Form von Pulver mit einer Korngröße von etwa 5 µm in ein Sus­ pensionsmittel eingerührt. Die Menge des Keramikpulvers beträgt etwa 40 Gew.-% bezogen auf die Gesamtmenge der ver­ wendeten Suspension. Als Suspensionsmittel eignen sich Wasser oder Alkohol. Ferner werden der Suspension Dispergiermittel zugesetzt. Damit der Überzug 2 ein Porosität von etwa 5% auf­ weist, wird der Suspension ein weiterer Zusatz beigemischt. Die Suspension kann auf die Oberfläche 1S auf gesprüht werden. Andere Auftragungsverfahren sind ebenfalls möglich. Die Sus­ pension wird so dick aufgetragen, daß die Dicke des Überzugs 2 nach der Fertigstellung einige nm beträgt. Die Suspension kann auch mehrfach aufgetragen werden, bis die gewünschte Dicke er­ reicht ist. Nach jedem Auftragen wird die Suspension zunächst getrocknet. Die auf getragene Suspension wird nach dem Trocknen einer Wärmebehandlung unterzogen. Vorzugsweise wird der Überzug 2 während einer definierten Zeit einer Temperatur von 1550°C ausgesetzt. Falls das Bauteil 1 extremen Bedingungen, insbesondere Gasströmen ausgesetzt wird, die sehr stark mit Schlacken und anderen Komponenten belastet sind, wird der Überzug 2, wie Fig. 2 zeigt, mit einer Verstärkung 2V ver­ sehen. Diese Verstärkung 2V wird dadurch gebildet, daß auf den Überzug 2 nach der Wärmebehandlung eine weitere Suspension aufgetragen wird. Diese hat die gleiche Zusammensetzung, wie sie bereits zur Ausbildung des Überzuges 2 verwendet wurde. Lediglich das hierfür verwendete Keramikpulver weist eine kleinere Korngröße auf. Diese wird kleiner als 5 µm gewählt. Die zur Ausbildung der Verstärkung 2V auf getragene Suspension wird ebenfalls getrocknet. Falls die gewünschte Schichtdicke der Verstärkung 2V noch nicht erreicht ist, kann das Auftragen der Suspension wiederholt werden, nachdem der erste Auftrag getrocknet ist. Anschließend wird das Bauteil 1 einer weiteren Wärmebehandlung bei 1550°C unterzogen.

Um dem Überzug 2 eine optimale Festigkeit und eine dauerhafte Verbindung mit dem Faserverbundwerkstoff zu ermöglichen, wird vor der Wärmebehandlung des Überzuges 2 auf die Oberfläche 2S desselben eine organische oder anorganische aluminiumhaltige Lösung aufgetragen. Vorzugsweise wird hierfür eine Aluminium­ nitratlösung verwendet. Diese Lösung hat die Eigenschaft, daß sie in die Oberfläche 2S eindiffundiert. Bei der anschließen­ den Wärmebehandlung wird das Lösungsmittel verdampft. Es bil­ det sich eine Aluminiumdioxid, das zum einen die Festigkeit des Überzugs 2 vergrößert, und gleichzeitig seine Verbindung mit dem Faserverbundwerkstoff des Bauteiles 1 verstärkt.

Wie Fig. 3 zeigt, können in der Oberfläche des Überzuges 2 Rillen 3 ausgebildet werden. Diese weisen eine Tiefe von 0,1 bis 10 mm auf und sind 0,1 bis 1 mm breit. Diese Rillen 3 wer­ den vor der Wärmebehandlung des Überzuges 2 ausgebildet. Die Segmentierung der Rillen 3 wird so gewählt, daß Risse, die auf Grund von thermischen Spannungen im Überzug entstehen, sich in den Vertiefungen dieser Rillen 3 ausbilden.

Dadurch werden Schwachstellen im Überzug 2 vor zerstörenden Einwirkungen der im Gas mitgeführten Partikel geschützt.

Claims (8)

1. Verfahren zum Schutz von Faserverbundwerkstoffen aus keramischen Fasern, dadurch gekennzeichnet, daß auf ein Bau­ teil (1) aus einem Faserverbundwerkstoff wenigstens ein Überzug (2) aufgetragen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Oberfläche des Bauteils (1) ein Überzug (2) aus einem keramischen Material aufgetragen wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Oberfläche (1S) des Bauteils (1) ein Überzug (2) aus Keramik mit einigen nm Dicke aufgetragen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug (2) aus einer Suspension auf­ getragen wird, die Wasser oder Alkohol als Suspensionsmittel enthält.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausbildung des Überzuges (2) eine Sus­ pension aus Keramikpulver in Form von Alumosilikat, Aluminium­ dioxd, Zirkoniumdioxd oder Siliziumcarbid gebildet wird, das eine Korngröße von 5 µm aufweist, und daß die Menge des Kera­ mikpulvers 40 Gew.-% bezogen auf die Gesamtmenge der verwende­ ten Suspension beträgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausbildung des Überzuges (2) die Sus­ pension auf die Oberfläche (1S) des Faserverbundwerkstoffs (1) aufgetragen und getrocknet wird, daß das Auftragen der Suspen­ sion und das Trocknen solange wiederholt wird, bis der auf­ getragene Überzug (2) die gewünschte Dicke aufweist, und daß sich an den letzten Trocknungsschritt eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 1550°C anschließt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausbildung einer Verstärkung (2V) auf der Oberfläche (2S) des Überzuges (2) eine Suspension mit gleicher Zusammensetzung wie für die Ausbildung des Überzuges (2) aufgetragen wird, daß die Korngröße des verwendeten Kera­ mikpulvers kleiner als 5 µm gewählt wird, und daß zur Ausbil­ dung der Verstärkung (2V) die Suspension sooft aufgetragen und getrocknet wird, bis die Verstärkung (2V) die gewünschte Dicke aufweist, und daß sich an den letzten Trocknungsschritt eine Wärmebehandlung bei 1550°C anschließt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Oberfläche (2S) des Überzuges (2) vor der Wärmebehandlung Rillen (3) mit einer Tiefe von 0,1 bis 10 mm und einer Breite von 0,1 bis 1 mm ausgebildet werden.