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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
hochtemperatur- und erosionsbeständige
Beschichtungen, und sie betrifft insbesondere die Verwendung solcher
Beschichtungen als abtragbare Dichtungen und Wärmedämmschichten.
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Hintergrundinformation
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Die meisten Bauteile von Verbrennungsturbinen
werden bei sehr hohen Temperaturen betrieben und erfordern oft die
Verwendung von speziellen Beschichtungen/Einsätzen, um die darunter befindlichen
Trägermaterialien
zu schützen.
Zu diesen speziellen Beschichtungen/Einsätzen gehören Wärmedämmschichten (thermal barrier
coatings, TBCs), die gegenüber
den Spitzen von Turbinenschaufeln angeordnet sind, wie in der US-Patentschrift Nr.
5.180.285 (Lau) gelehrt wird.
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Herkömmliche Wärmedämmschichten umfassen typischerweise
eine dünne
Schicht Zirkondioxid. Bei vielen Anwendungen müssen die Beschichtungen erosionsbeständig sein
und müssen
auch abtragbar sein. Zum Beispiel müssen Turbinen-Ringdichtungssegmente,
welche mit engen Passungstoleranzen an den Spitzen von Turbinenschaufeln
angebracht sind, beständig
gegenüber
Erosion sein und außerdem
vorzugsweise verschlissen oder abgerieben werden, um die Beschädigung der
Turbinenschaufeln zu verringern, und eine undurchlässige Dichtung
mit der Turbinenschaufel bilden. Schutzbeschichtungssysteme können mehrere Schichten
umfassen, darunter eine metallische Haftschicht oder Sperrschicht
aus MCrAIY, die einen Aluminiumoxid-Überzug aufweist, und zum Beispiel
eine eine Säulenstruktur
aufweisende Wärmesperre
aus mit Yttriumoxid stabilisiertem Zirkondioxid, wie in der US-Patentschrift Nr.
4.916.022 (Solfest et al.) gelehrt wird, welche ferner mit einer
erosionsbeständigen
Schicht aus Aluminiumoxid oder Siliziumkarbid überzogen sein kann, wie die
US-Patentschrift Nr. 5.683.825 (Bruce et al.) lehrt.
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In der US-Patentschrift Nr. 5.780.146
(Mason et al.) wurden 30 Gew.-% bis 50 Gew.-% (50 Vol.-% bis 60 Vol.-%) hohle Aluminosilikat-
oder Aluminiumoxid-Kugeln mit einem Durchmesser von 400 Mikrometern
bis 1800 Mikrometer und einer Hochtemperaturbeständigkeit von ca. 1300°C in einer
Aluminiumphosphat-Matrix für
eine abtragbare Dichtung verwendet. Die Dichtung wird über einem
Deckplattensegment aus Verbundstoff mit einer Keramikmatrix verwendet,
welches aus Siliziumkarbidfasern in einer Aluminiumoxid-Matrix bestehen kann.
Diese Erfindung ist jedoch hinsichtlich der Wärmestabilität infolge der unkontrollierten
Verteilung und des unkontrollierten Kontaktes der Kugeln beschränkt, wodurch
die Matrix die Wärmestabilität des Systems
steuert und die Temperatur des Systems auf weniger als 1200°C begrenzt.
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Füllstoffe
wurden auch von Naik et al. in der US-Patentschrift Nr. 5.064.727
verwendet. Dort weisen abtragbare stationäre Dichtungswände für Strahlturbinengehäuse, welche
einander gegenüberliegende,
rotierende Läufer-Schaufelspitzen
abdichten, einen keramischen Kern auf, der 30 Vol.-% bis 98 Vol.-%
massiven keramischen Füllstoff
enthält,
wobei der keramische Stoff eine wabenförmige Wandstruktur füllt. Dieser
wird dann mit einer erosions- und korrosionsbeständigen äußeren Schicht bedeckt, welche
durch einen gleichmäßig zerstreuten,
fein verteilten Füllstoff
porös gemacht
wird. Die Poren können
mit Keramik, Metalloxid oder karbidischen Werkstoffen gefüllt sein.
Zu den erwähnten
Füllstoffen
gehören
hohle Keramikkugeln aus ZrO2 · 8 YO3 und massive Kugeln aus Al2O3, SiC, TiC und BN.
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Weitere zur Verwendung in Turbinen
geeignete Wabenstrukturen werden in der US-Patentschrift Nr. 4.867.639 (Strangman)
gelehrt. Dort werden niedrigschmelzende Fluoride wie etwa BaF2 in eine stabilisierte Zirkondioxid- oder
Aluminiumoxid-Matrix eingebettet, welche wiederum verwendet wird,
um einen wabenförmigen
Deckplattenbelag zu füllen,
der zum Beispiel aus einer Metalllegierung besteht. Die Füllung schmilzt, wenn
die rotierenden Schaufelspitzen an der Deckplatte reiben, und bei
erneuter Verfestigung verbessern sie die Glattheit der abgeriebenen
Oberfläche.
Ainsworth et al. lehren in der US-Patentschrift Nr. 4.639.388 eine weitere
Variante verstärkter
Keramikschichten, die eine Wabenmatrix zur Verwendung als abtragbare
Dichtungen in einer Turbine umfassen.
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In der US-Patentschrift Seriennr.
09/261.721 (Liste Nr. RDM 97-017 – ESCM 283139-00315, Merrill
et al., angemeldet am 3. März 1999)
wurde eine offene Zellen aufweisende Wabenstruktur mit einem Material
gefüllt
und wahlweise bedeckt, welches in eine vernetzte Keramikmatrix eingebettete
hohle Keramikteilchen enthält,
um eine zusammengesetzte Wärmedämmschicht
bereitzustellen, die eine erhöhte
Erosionsbeständigkeit und
verbesserte Abriebeigenschaften aufweist und zur Verwendung an Bauteilen
von Verbrennungsturbinen geeignet ist. Die hohlen Teilchen waren
vorzugsweise kugelförmig
und bestanden aus Zirkondioxid, Aluminiumoxid, Mullit, Zerdioxid,
Yttrium-Aluminium-Garnet
(YAG) oder ähnlichem,
und sie wiesen eine durchschnittliche Teilchengröße von ca. 200 Mikrometern
(0,2 mm) bis 1500 Mikrometer (1,5 mm) auf. Die Erosionsgeschwindigkeit
dieses Füllstoffes
im stationären
Zustand, in g Verlust pro kg erosives auftreffendes Medium, betrug
3,2 g/kg, im Vergleich zu 4,6 bis 8,6 g/kg für herkömmliche Wärmedämmschichten. Hierbei bestand
die Keramikmatrix aus einer vernetzten Wabenstruktur mit offenen
Zellen, welche die Hohlkugeln miteinander verband, wobei die Haftung
der Hohlkugeln durch ein Netz von Aluminiumphosphat-Brückenbindungen
bewirkt wurde.
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In der US-Patentschrift Seriennr.
09/536.742 (Liste Nr. 99E7538US – ESCM 283139-00936; Merrill), die
am 28. März 2000 angemeldet wurde, wurde
ein Vakuumpackungs/Tränkungsverfahren
zur Erzielung der Haftung hohler geometrischer Gebilde aneinander
beschrieben, um abtragbare, thermisch stabile Dichtungen und ähnliches
bereitzustellen. Sowohl die US-Patentschrift Seriennr. 09/049.369
(Liste Nr. 72 97-026, ESCM 283139-00315, Morrison et al., angemeldet am
27. März 1998) als auch die US-Patentschrift
Seriennr. 09/049.328 (Liste Nr. RDM 97-005, ESCM 283139-00374, Merrill,
angemeldet am 27. März 1998) lehren keramische
Isolierschichten mit verbesserter Erosionsbeständigkeit und makroskopisch
verschlossener Porosität,
wobei Hohlkugeln auf Oxidbasis verwendet werden, welche wenigstens
3 oder 4 andere Hohlkugeln berühren
können,
um bei Temperaturen bis zu etwa 1600°C eine verbesserte Maßbeständigkeit
zu gewährleisten.
Die Erosionsgeschwindigkeit, in g Verlust pro kg erosives auftreffendes
Medium, betrug 4,5 g/kg bzw. 7,5 g/kg.
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Jedoch keine dieser Beschichtungen
oder Dichtungsstrukturen weist eine optimierte Abtragbarkeit mit Erosionsbeständigkeit
und Isolierfähigkeit,
minimierter Schrumpfungsfähigkeit
und thermischer Nichtübereinstimmung
auf und gewährleistet
eine erzwungene stabilisierte gleichmäßige kugelförmige Porosität und angemessene
Nachgiebigkeit sowie optimierte Wärmestabilität für den Betrieb im Wesentlichen
bis 1600°C;
alle diese Eigenschaften werden j edoch von der nächsten Generation
von Wärmedämmschichten,
Dichtungen usw. für
Hochtemperatur-Turbinen gefordert, ebenso wie bei nicht Turbinen
betreffenden Beschichtungs-Anwendungen. Benötigt werden hochtemperaturbeständige Beschichtungen
und Verbundstoffe, welche diese und weitere zukünftige Anforderungen erfüllen.
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Außerdem sind thermisch gespritzte
Strukturen, bei denen gleichzeitig Hohlkugeln gespritzt werden, um
eine Porosität
zu erzeugen und dadurch entweder eine Abtragbarkeit oder eine verringerte
Wärmeleitfähigkeit
zu bewirken, infolge der Spritzfähigkeit
auf geringe Größen der
Kugeln, typischerweise von weniger als 200 Mikron, beschränkt. Diese
kleinen Kugeln neigen dazu, in Plasma zu schmelzen und sich in nicht
kugelförmige
Poren zu verwandeln, welche nicht thermisch stabil sind. Eine solche
Porosität
in kleinem Maßstab führt zu einer
geringen Erosionsbeständigkeit.
Außerdem
führen
thermisch gespritzte Beschichtungen/Strukturen für abtragbare Dichtungen auf
der Basis des gleichzeitigen Spritzens von flüchtigen Teilchen, zum Beispiel
von Polyesterharz-Teilchen, welche anschließend ausgebrannt werden, damit
eine erhöhte
Porosität
zurückbleibt,
zu kleinen, nicht kugelförmigen
Poren und zu von der Matrix bestimmten Eigenschaften, welche die Wärmestabilität begrenzen.
Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht des Obenstehenden
sowie zur Beseitigung anderer Mängel
des bekannten Standes der Technik entwickelt.
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Deshalb besteht eine der Hauptaufgaben
der vorliegenden Erfindung darin, eine hochtemperatur- und erosionsbeständige Beschichtung
und ein ebensolches Material bereitzustellen, die bzw. das haftfähig, im
Allgemeinen nicht schrumpfend, abtragbar, nachgiebig und wärmebeständig bis
mindestens 1600°C
ist und eine erzwungene stabilisierte Porosität und Isolationseigenschaften
sowie eine gesteuerte Wärmeleitfähigkeit
und gesteuerte Wärmeausdehnungseigenschaften
aufweist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Diese und andere Ziele der Erfindung
werden erreicht, indem ein Werkstoffsystem bereitgestellt wird, das
als eine erosionsbeständige
und hochtemperaturbeständige
Schicht benutzt werden kann und eine im Wesentlichen dicht gepackte
Anordnung von im Allgemeinen einander berührenden, hohlen, individuell
geformten geometrischen Gebilden umfasst, die eine Koordinationszahl
besitzen, die größer oder
gleich 1 ist, und eine Wandstruktur mit einer Dichte von 70% bis
100% besitzen, und welche fest miteinander verbunden sind, und wobei
dieses Werkstoffsystem eine erzwungene stabilisierte Porosität aufweist
und bei Temperaturen bis zu wenigstens 1600°C abtragbar, wärmeisolierend,
wärmebeständig und
im Wesentlichen nicht schrumpfend ist. Eine Wanddicke von mehr als
etwa 100 Mikrometern wird bevorzugt, um eine gute Erosionsbeständigkeit
sicherzustellen. Dieser Werkstoff gewährleistet eine optimierte Kombination
von physikalischen und thermischen Eigenschaften, die in der Industrie
benötigt,
aber bisher nicht erreichbar waren, die jedoch in der Zukunft wesentlich
sein werden.
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Vorzugsweise werden die geometrischen
Gebilde aus starren, hohlen, im Wesentlichen geschlossenen keramischen
Kugeln und anderen ähnlichen
geometrischen Gebilden mit einem niedrigen Seitenlängenverhältnis, das
kleiner als 10 und vorzugsweise kleiner als 5 ist, gewählt, wie
etwa Hohlzylinder und ähnliches. Die
Gebilde sind "individuell
geformt", was hier
so definiert ist, dass es bedeuten soll, dass sie während der Herstellung
einzeln geformt und danach stabilisiert wurden, und nicht an Ort
und Stelle auf einem Trägermaterial
geformt wurden o. ä.
Die hohlen keramischen Gebilde haben "dichte" Wände,
was hier so definiert ist, dass sie eine Dichte aufweisen, welche
70% bis 100% der theoretischen Dichte beträgt (0% bis 30% porös). Da die
geometrischen Gebilde unabhängig
voneinander geformt werden, hat dies eine dichtere Wandbildung zur
Folge, was eine Ablenkung von Rissen und eine allgemeine Erhöhung der
Festigkeit des Werkstoffs ermöglicht
und ebenso die geometrische Stabilität bei sehr hohen Temperaturen
bis in den Bereich von 1700°C ermöglicht.
Hohlräume
zwischen beispielsweise einer ersten Art von großen geometrischen Gebilden
mit einem bestimmten Durchmesser können mit geometrischen Gebilden
einer zweiten Art mit einem kleineren Durchmesser ausgefüllt werden,
um das Volumen der Hohlräume
zu verringern und, in Übereinstimmung
mit der Forderung nach einem gewissen Grad an Nachgiebigkeit, die
Menge der Keramikbindungen der Matrix zu minimieren, welche helfen,
die Gebilde fest miteinander zu verbinden.
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Vorzugsweise sind dreidimensionale "Ketten" von hohlen Gebilden
vorhanden, wobei eine wesentliche Anzahl von Gebilden jeweils wenigstens
4 bis 12 und vorzugsweise 6 bis 10 andere Gebilde berührt. Diese einer
Kette oder Reihe ähnliche
Geometrie gewährleistet
Festigkeit und minimiert die Fälle,
in denen große Hohlräume nahe
beieinander liegen. Das Werkstoffsystem sollte einen gewissen Grad
an Porosität
aufweisen, wenigstens 15 Vol.-% bis maximal 90 Vol.-%, vorzugsweise
40 Vol.-% bis 70 Vol.-% für
wärmeisolierende
und abtragbare Beschichtungen für
Turbinen, und weist vorzugsweise eine gewisse Zufällligkeit
der einander berührenden
Gebilde in seiner Struktur auf. Das Werkstoffsystem gemäß dieser
Erfindung ist aufgrund seiner Struktur auch sehr bröcklig, während es
zugleich einen niedrigen Elastizitätsmodul bewahrt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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Die Erfindung wird ferner durch die
folgenden, keine Einschränkung
darstellenden Zeichnungen veranschaulicht, wobei:
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1 ein
Querschnitt durch eine Gasturbinen-Deckplatte und andere Turbinenbauteile
in einem Turbinenaggregat ist, welcher eine abtragbare Dichtung
und eine Turbinenspitze zeigt, mit zugehörigen Turbinenschaufeln und
Leitschaufeln;
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2 eine
verallgemeinerte Zeichnung davon ist, wie eine Ausführungsform
der gefüllten,
abtragbaren Struktur gemäß dieser
Endung, welche ca. 30 Vol.-% bis 60 Vol.-% allgemein einander berührende Kugeln enthält, die
Koordinationszahlen von ca. 3 oder 4 bis 6 aufweisen, im Idealfall
auf einer mikroskopischen Ebene aussehen könnte;
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3 eine
verallgemeinerte Zeichnung davon ist, wie die gefüllte, abtragbare
Struktur gemäß dieser Erfindung,
welche ca. 50 Vol.-% bis 90 Vol.-% allgemein einander berührende,
im Wesentlichen dicht gepackte Kugeln enthält, die Koordinationszahlen
von ca. 5 bis 12 aufweisen, im Idealfall auf einer mikroskopischen Ebene
aussehen könnte;
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4,
welche die Erfindung am besten zeigt, eine idealisierte, vergrößerte Ansicht
eines Teils einer Schicht der allgemein berührenden, dicht gepackten Struktur
von 3 ist, jedoch mit
kleineren Koordinationszahlen von ca. 6 bis 10, welche Hohlkugeln
enthält;
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5 ein
Diagramm der Dichte des Werkstoffsystem ist, in Form der Abhängigkeit
der theoretischen Dichte von "t/r" (Verhältnis Wanddicke/Kugelradius);
und
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6 ein
Diagramm ist, welches den Erosionsverschleiß des erfindungsgemäßen Werkstoffsystems im
Vergleich zu Zusammensetzungen nach dem bekannten Stand der Technik
zeigt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Es wird nun auf 1 Bezug genommen; sie zeigt eine Kombination
von rotierenden Turbinenschaufeln 12 und stationären Turbinenleitschaufeln 14 in
einer Turbinenaggregat-Vorrichtung 10, die ein Turbinengehäuse 16 aufweist.
Turbinendeckplatten 18 sind entlang des Umfangs um eine
der Stufen der Turbinenschaufeln herum angeordnet und weisen abtragbare
Deckplattendichtungsschichten 20 auf, welche mit der Turbinen-Schaufelspitze 22 zusammenwirken,
so dass eine Dichtung 24 gebildet wird, die zur Verdeutlichung überproportional
breit dargestellt wurde. Außerdem
ist der Schaufelbefestigungsfuß 26 dargestellt,
ebenso wie die Trägermaterialplatte 28 für die Dichtungen 20 und
die potenzielle Wärmedämmschicht 25 auf
der Turbinenschaufel 12. Die Leitschaufeln 14 sind
stationär
und dienen zum Einschließen
und Leiten heißer
Gase, welche durch die zugehörige
Gasturbine strömen.
Die Wärmedämmschicht 25 könnte auch
auf den Oberflächen
der Leitschaufeln verwendet werden. Die Schicht 25 ist
nur am Rand dargestellt, kann jedoch – und gewöhnlich ist dies auch der Fall – die gesamte
Oberfläche
der Schaufel 12 und der Leitschaufel 14 bedecken.
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Um die Leistungsmerkmale (thermodynamischer
Wirkungsgrad und abgegebene Leistung) zu verbessern, wurden Wärmedämmschichten
auf gekühlte
Turbinenbauteile aufgebracht, um die Menge der erforderlichen Kühlluft usw.
zu verringern. Unlängst
wurde, um die Wirksamkeit der Abdichtung zu verbessern, der Undichtigkeitsbereich
der Dichtung 24 dadurch verkleinert, dass bewirkt wurde,
dass der Schaufelspitzeneinsatz 22 die Deckplattendichtung 20 berührt und
abträgt,
um einzelne, undurchlässige
Dichtungen zwischen der jeweiligen Dichtung und der zugehörigen Turbinenschaufel
zu gewährleisten.
Bei der vorliegenden Erfindung können
die Deckplattendichtung und die meisten anderen Dichtungs- oder
Verschleißbereiche
in der Turbinenvorrichtung aus dem erosionsbeständigen, in hohem Grade gefüllten, hochtemperaturbeständigen Werkstoff gemäß dieser
Erfindung hergestellt werden, unter Verwendung von ca. 20 Vol.-%
bis 85 Vol.-% individuell geformter, dicht gepackter, hohler geometrischer
Gebilde, die Wände
mit einer Dichte von über
70% besitzen. Dieselbe Beschichtung ist auch als Wärmedämmschicht
für Schaufeln,
Leitschaufeln, Brennkammern und andere ähnliche Objekte in einem Gasturbinentriebwerk,
welche derzeit eine aktive Kühlung
erfordern, von Nutzen.
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In den 2 und 3 sind die bei der vorliegenden
Erfindung verwendeten Kugeln als dreidimensionale, einer Kette ähnliche
Körper
dargestellt; es handelt sich dabei jedoch selbstverständlich um
hohle Gebilde, die in 4 noch
deutlicher dargestellt sind. Es wird auf 2 Bezug genommen; ein Beispiel eines
Werkstoffs gemäß dieser
Erfindung ist mit der Bezugszahl 32 in idealisierter Weise
als ein Ausschnitt innerhalb der gestrichelten Linien dargestellt.
Die erste Schicht mit Kugeln A ist ein wenig unzusammenhängend, obwohl
die meisten Kugeln wenigstens zwei andere Kugeln berühren, wobei
eine erhebliche Anzahl, das heißt
ca. 70%, drei oder vier andere Kugeln berühren, was an den Stellen zu
erkennen ist, wo die Kugeln der zweiten Schicht B dargestellt sind.
Die Kugeln der zweiten Schicht B sind ebenfalls unzusammenhängend, befinden
sich jedoch in einem erheblichen Kontakt mit den Kugeln der ersten
Schicht. Im Interesse der Klarheit ist nur eine schwarze Kugel C
der dritten Schicht dargestellt. Die Matrixräume 34 sorgen für eine mäßige Porosität, zusätzlich zu
der geschlossenen Porosität,
die den hohlen geometrischen Gebilden innewohnt. Diese mit den Zwischenräumen zusammenhängende Porosität ist für den Gesamtverschleiß und die
thermischen Eigenschaften der Struktur von zweitrangiger Bedeutung,
kann jedoch für
das mechanische Verhalten kritisch sein, insbesondere im Bereich
der höheren
Porosität.
Die erforderliche Erosionsbeständigkeit
wird durch die Verwendung von geometrischen Gebilden mit dichten
Wänden
erreicht, welche beständig
gegenüber
einer Erosion durch kleine Teilchen sind. Die Abtragbarkeit wird
ebenso durch die Einführung
grober (größer als
100 Mikron), geschlossener Poren erreicht. Die gleichzeitige Optimierung
sowohl der Erosionsbeständigkeit
als auch der Abtragbarkeit wird durch eine wohlüberlegte Wahl der Werte bzw.
des Grades der geschlossenen Porosität, der Größe der Hohlkugeln und der Wanddicke
erreicht. Der Beitrag der Matrix 34 betrifft vor allem
die mechanische Ganzheit der Struktur (Festigkeit und Elastizitätskonstanten).
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Ein weiteres Beispiel des Werkstoffes
gemäß der vorliegenden
Erfindung, das in 3 in
idealisierter Form dargestellt ist, ist eine dicht gepackte Anordnung 40 innerhalb
des von den gestrichelten Linien umrahmten Ausschnitts, welche eine
im Allgemeinen in Kontakt befindliche, größtenteils zusammenhängende erste Schicht
A, eine größtenteils
zusammenhängende
zweite Schicht B, die hier im Interesse der Einfachheit in Form
von drei Zusammenballungen von Kugeln dargestellt ist, und eine
größtenteils
zusammenhängende
obere Schicht, die hier, ebenfalls im Interesse der Klarheit, nur
in Form von zwei schwarzen Kugeln C dargestellt ist, aufweist. Diese
Ausführungsform
weist eine nahezu universelle Kettenbildung zwischen den Kugeln
in drei Dimensionen auf, die für
einen hohen Grad an erzwungener stabilisierter gleichförmiger sphärischer
Porosität sorgt.
Das heißt,
die Ketten verhindern ein Zusammenbrechen und eine wesentliche Schrumpfung
des Systems bei Temperaturen in der Nähe von 1700°C. Auch wenn die meisten Kugeln
der Schicht B und der oberen Schicht C in 3 nicht dargestellt sind, ist leicht
zu erkennen, wie die erfindungsgemäße 50 Vol.-% bis 90 Vol.-%
hohle Gebilde, hier Hohlkugeln, umfassende Konfiguration es ermöglicht,
die Zwischenräume 34 der Bindematrix
zu minimieren. Obwohl der erfindungsgemäße Werkstoff für die Verwendung
bei sehr hohen Temperaturen geeignet ist, existieren sehr viele
andere nützliche
Anwendungen bei niedrigeren Temperaturen im Bereich von 1200°C bis 1500°C, so dass
sich der Hauptanwendungsbereich von ca. 1200°C bis 1600°C erstreckt.
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Mit "im Wesentlichen dicht gepackt" ist der in den 2, 3 und 4 dargestellte
Typ von Anordnung gemeint, wobei die zuvor definierte Koordinationszahl
größer oder
gleich 1 ist. Jedoch ist zur Erzielung einer maximalen Bruchzähigkeit,
Festigkeit und Nachgiebigkeit eine gewisse Zufälligkeit erwünscht. 3 zeigt zwei Gruppen von
Positionen für
die Kugeln C der dritten Schicht. Eine Lage der Schichten, bei der
die Kugeln A, B und C zueinander versetzt angeordnet sind, wie durch
die Linie 44 bezeichnet wird, gewährleistet eine sechseckige
dicht gepackte Anordnung, die teilweise dargestellt ist. Eine Lage
der Schichten, bei der die Kugeln A, B und C in einer Linie angeordnet
sind, wie durch die Linie 46 bezeichnet wird, führt zu einer
flächenzentrierten
kubischen Anordnung.
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Es wird nun auf 4 Bezug genommen, welche eine Ausführungsform
der Erfindung am deutlichsten veranschaulicht; sie zeigt Hohlkugeln 50,
die eine erste Größe sowie
Wände 52 aufweisen
und im Wesentlichen dicht gepackt sind mit wahlweise kleineren,
eingebetteten, hohlen Gebilden, wie etwa Hohlkugeln 54, die
eine zweite, kleinere Größe aufweisen,
sowie ein Matrix-Bindemittel 56, das zwischen den größeren Hohlkugeln 50 angeordnet
ist. Es sind auch Hohlräume 58 dargestellt.
Die Keramik-Hohlkugeln 50 sind so gefertigt, dass die Kugelwände ca.
70% bis 100% der theoretischen Dichte und vorzugsweise nahezu 90%
bis 100% der theoretischen Dichte aufweisen (0% bis 10% porös). Um eine
gute Erosionsbeständigkeit
zu erreichen, beträgt
die Wanddicke vorzugsweise ca. 100 Mikrometer bis 400 Mikrometer,
in Abhängigkeit
vom Kugeldurchmesser. Die Keramik-Hohlkugeln steuern ausschließlich die
Beständigkeit
der Abmessungen des Werkstoffsystems 60 und verhindern
eine stärkere
Schrumpfung des Volumens infolge einer Sinterung der Matrix, gleichgültig, welches
Matrix-Bindemittel gewählt
wurde. Die Hohlkugeln sind außerdem
von entscheidender Bedeutung für
die Festlegung der eindeutigen Makro- und Mikrostruktur des Werkstoffes 60 und
für die
Steuerung seines eindeutigen Verhaltens, sowohl des thermischen
als auch des mechanischen. Der Grad der geschlossenen makroskopischen
Porosität
innerhalb des Werkstoffsystems 60 wird durch die Gesamtgröße der Keramik-Hohlkugeln,
die Wanddicke der Kugeln und deren Packungsanordnung innerhalb der
Struktur definiert. Das Bindemittel, welches die Keramik-Hohlkugeln
in den Zwischenräumen
miteinander verbindet, kann für
diese Eigenschaften ebenfalls eine wenn auch zweitrangige Rolle
spielen, in Abhängigkeit
von den mechanischen und thermischen Eigenschaften sowie von den
Mengen des verwendeten Bindemittels. Die Struktur des Werkstoffsystems 60 verleiht
einzigartige Kombinationen von Hochtemperatur-Eigenschaften, zu
denen bei Gasturbinen-Anwendungen
eine ausgezeichnete Erosionsbeständigkeit,
Isolationseigenschaften und Abtragbarkeit in einer optimierten Kombination
gehören,
die mit herkömmlichen
Mitteln nicht erreicht wird.
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Das in 4 dargestellte
Werkstoffsystem 60 wird mit geschlossener makroskopischer
Porosität
hergestellt, und zwar durch die Verwendung von Keramik-Hohlkugeln (oder ähnlichen
geometrischen Gebilden) der Größenbereiche
zwischen 200 Mikrometern Durchmesser bis zu 5000 Mikrometern Durchmesser,
welche unabhängig
voneinander geformt und anschließend fest miteinander verbunden
werden, so dass eine makroskopische Infrastruktur gebildet wird.
Die Schüttdichte
dieser Kugeln 50 selbst liegt irgendwo zwischen 0,10 und
0,90 der theoretischen Dichte, das heißt, zwischen 10% und 90%, in
Abhängigkeit
von der inneren Porosität
und von den Erfordernissen für
die einzelnen Hochtemperatur-Anwendungen. Die dicht gepackte, zusammenhängende Struktur
bestimmt und steuert die thermischen und mechanischen Eigenschaften
des Systems 60 und gewährleistet
die Beständigkeit
der Abmessungen der Struktur. Die Koordinationszahlen für die Packung
der Kugeln können
im Bereich von 1 bis 14 liegen, für Anwendungen im Bereich der
Beschichtung von Gasturbinen liegt die Koordinationszahl von im
Wesentlichen sämtlichen
hohlen Gebilden jedoch vorzugsweise zwischen 5 und 12 und am günstigsten zwischen
5 und 8. Wie weiter oben bereits erwähnt wurde, ist zur Erzielung
einer maximalen Bruchzähigkeit
und Festigkeit ein gewisser Grad an Zufälligkeit wünschenswert. Für Anwendungen,
bei denen die Steifigkeit wesentlich ist, wie etwa Kerne von Sandwich-Konstruktionen, sind jedoch
möglicherweise
idealisierte Packungsanordnungen und hohe Koordinationszahlen im
Bereich von 8 bis 14, wie in 3 dargestellt,
vorzuziehen.
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Es ist von entscheidender Bedeutung,
dass die Kugeln 50 nicht an Ort und Stelle geformt, sondern separat
geformt und stabilisiert werden. Die individuell geformten und dann
fest miteinander verbundenen Kugeln verleihen dem Werkstoffsystem 60 einzigartige
Eigenschaften. Der Kontakt zwischen den dichtwandigen Kugeln ist
nicht übermäßig innig,
da bei den Temperaturen der Verarbeitung und Anwendung kein Zusammenbacken
zwischen den Kugeln erfolgt; dadurch wird eine Ablenkung von Rissen
und ein gewisser Grad der Erhöhung
der Zähigkeit
des Werkstoffes ermöglicht.
Die Tatsache, dass die Kugeln separat geformt werden, ermöglicht die
Stabilisierung der Kugeln bis zu wesentlich höheren Temperaturen, als dies
sonst möglich
ist. An Ort und Stelle gebildete Hohlräume, die bei den meisten Beschichtungsverfahren
unvermeidlich sind, sind im Allgemeinen miteinander verbunden, wodurch
sich die Gesamtgröße der kritischen
Defekte erhöht
und die Struktur geschwächt
wird. Durch die Verwendung von unabhängig geformten Hohlkugeln sind
im Wesentlichen alle großen
Hohlräume 50 innerhalb
der Hohlkugeln durch wenigstens das Doppelte der Wanddicke voneinander
getrennt, wie zum Beispiel im Punkt 62 in 4 dargestellt ist. Es ist außerdem wünschenswert,
dass kleine Hohlräume 58 nicht
untereinander verbunden, sondern getrennt sind, wie im Punkt 62.
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Die Keramik-Hohlkugeln, wie etwa
50 in 4, weisen typischerweise
ein Verhältnis
der Wanddicke zum Radius (Verhältnis "t/r") auf, das zwischen
0,05 und 0,50 liegt. In Abhängigkeit
von der Anwendung kann dieses Verhältnis t/r variieren, zum Beispiel:
Für eine
Isolation mit geringem Gewicht, bei der die Erosion nicht von entscheidender
Bedeutung ist (oder aufgefangen wird), ist ein Wert von t/r in der
Nähe der
unteren Grenze dieses Bereiches wünschenswert; für isolierende
oder abtragbare Beschichtungen, das heißt, in einer Gasturbine dort,
wo die Erosion ein zu berücksichtigendes
Problem ist, ist ein Wert von t/r zwischen 0,1 und 0,4 vorzuziehen;
für sehr
feste oder erosionsbeständige
Werkstoffe ist ein Wert in der Nähe
der oberen Grenze des Bereiches für t/r wünschenswert.
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Für
viele Anwendungen ist der absolute Wert der Wanddicke entscheidend,
um eine ausreichende Erosionsbeständigkeit zu erzielen. Daher
müssen
das Verhältnis
t/r und der Gesamtdurchmesser der Kugeln berücksichtigt werden. Wenn zum
Beispiel für
die Erosionsbeständigkeit
eine Wanddicke von 200 Mikrometern erforderlich ist und die Gesamt- Schüttdichte
des Werkstoffsystems durch Anforderungen betreffs der Abtragbarkeit
bestimmt wird, das heißt,
etwa 60% beträgt,
so hilft dies, den Bereich der Kugelgrößen einzuengen (weitere Variable
sind die Packungsdichte der Kugeln und die Matrixdichte). Die Wanddicke
liegt im Allgemeinen im Bereich zwischen ca. 0,05 mm (50 Mikrometer)
und 0,5 mm (500 Mikrometer).
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Die Gestalt der hohlen Teilchen ist
im Idealfall kugelförmig,
im Interesse einer einfachen Fertigung und zur Erzielung isotropischer
Eigenschaften. Es können
jedoch ohne Weiteres auch andere ähnliche Gebilde hergestellt
und auf dieselbe Weise eingefügt
werden und vielleicht gewisse optimierte Eigenschaften bewirken; zum
Beispiel können
die Gebilde hohle längliche
Sphäroide
sein, oder nadelähnliche
Gebilde, die entweder zufällig
ausgerichtet oder vorzugsweise parallel oder senkrecht zur Oberfläche des
Trägermaterials
ausgerichtet sind und Seitenlängenverhältnisse,
die kleiner als 5 zu 1 sind, sowie Längen zwischen 200 Mikrometern und
5000 Mikrometern aufweisen. Es können
hohle Ellipsoide oder andere unregelmäßige Sphäroide hergestellt werden, und
tatsächlich
treten sie innerhalb des normalen Spektrums der Formen bei der Fertigung
von Kugeln auf. Mischungen von Kugeln, Sphäroiden, Zylindern mit kleinem
Seitenlängenverhältnis und
anderen Gebilden sind ebenfalls natürliche Verallgemeinerungen
dieser Erfindung und im Rahmen derselben vorstellbar; und tatsächlich werden
bei wenigstens einem Fertigungsprozess für Hohlkugeln auch hohle, lange
Nadelstrukturen hergestellt.
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Die Gesamt-Schüttdichte des Werkstoffsystems
insgesamt – einschließlich der
Dichte der Kugeln, ihrer Packungsanordnung und des Matrix-/Füll-Bindematerials – liegt
im Allgemeinen im Bereich von 0,10 bis 0,80, das heißt, beträgt 10% bis
80% der theoretischen Dichte, in Abhängigkeit von der Anwendung.
Für das Beispiel
der Turbinentriebwerk-Beschichtungen
können
für die
Isolation oder die Abtragbarkeit (oder beides) der Bereich der Gesamtdichte
des Werkstoffsystems und dessen Aufbau innerhalb eines weiten Bereiches
variieren. Durch die Steuerung der Schüttdichte, das heißt, der
Größe der Kugeln,
der Wanddicke der Kugeln und der Dichte des Bindemittels des Werkstoffsystems,
können
die Eigenschaften im Hinblick auf die Erosionsbeständigkeit
und/oder Abtragbarkeit optimiert werden, wie in 5 dargestellt ist, bei der es sich um
ein Diagramm der Dichte des Werkstoffsystems in Form der Abhängigkeit
der theoretischen Dichte von t/r handelt. Der günstigste Bereich für abtragbare
Beschichtungen ist der zwischen 30% und 80% der theoretischen Dichte.
Der günstigste
Bereich für
die Erosionsbeständigkeit
ist der von ca. 0,3 bis 0,5 t/r innerhalb des Bereiches von 30%
bis 80%, wobei der beste Bereich für abtragbare Beschichtungen
mit geringem Gewicht der von ca. 0,1 bis 0,3 t/r innerhalb des Bereiches
von 30% bis 80% ist; die Abkürzung "BCC" steht dabei in allen
Fällen für "kubischraumzentriert" (body centered cubic).
Die Kurve 1 entspricht einer kubischen Packung von 52% und
einer Matrix mit einer Dichte von 100%; die Kurve 2 entspricht
einer kubischen Packung von 52% und keiner Matrix; die Kurve 3 entspricht
einer kubisch-raumzentrierten Packung von 74% und einer Matrix mit
einer Dichte von 100%; und die Kurve 4 entspricht einer
kubisch-raumzentrierten Packung von 74% und keiner Matrix. Die am
meisten bevorzugte Kombination von Schüttdichte und t/r für sowohl
Abtragbarkeit als auch Erosionsbeständigkeit und Isolationseigenschaften
ist die einer Schüttdichte
von 30% bis 80% und eines Verhältnisses
t/r zwischen 0,15 und 0,45.
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Anzumerken ist, dass, obwohl die 2, 3 und 4 Fälle einer
regelmäßigen Packung
von Kugeln gleicher Größe zeigen,
die Packung der Kugeln weder auf eine dieser Formen oder Packungen
beschränkt
ist noch auf Kugeln derselben Größe beschränkt ist,
und dass sie auch nicht auf irgendeine Art von Regelmäßigkeit
der Struktur beschränkt
ist (eine zufällige
Packung ist eher die Norm, und sie ist zulässig, solange das Kriterium
der wenigstens im Wesentlichen "dichten
Packung" erfüllt ist).
Uneinheitliche Kugelgrößen können wünschenswert
sein, um höhere
Packungsdichten zu erzielen.
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Die Kugelwände müssen eine Dichte von über 70%,
wobei die Dichte jedoch vorzugsweise nahe bei der theoretischen
Dichte (90% bis 100% der theoretischen Dichte) liegen sollte, um
die Wärmestabilität innerhalb
eines möglichst
weiten Temperaturbereiches aufrechtzuerhalten. Die hohe Dichte der
Kugelwände
sorgt für
eine ausgezeichnete Erosionsbeständigkeit
und steuert das thermische und mechanische Verhalten des Systems.
Die Herstellungstemperatur der Hohlkugeln liegt deutlich über der
beabsichtigten Temperatur der Verwendung des Werkstoffsystems; zum
Beispiel können
Hohlkugeln aus Mullit (3 Al2O3°2 SiO2) bei 1750°C hergestellt werden, was sie
in einem Werkstoffsystem, welches auf unbestimmte Zeit bei 1600°C bis 1700°C eingesetzt
wird, inert und stabil macht. Das separate Formen und Stabilisieren
der Kugeln bei hohen Temperaturen gewährleistet die Wärmestabilität und Beständigkeit
der Abmessungen des Systems bei zukünftigen hohen Betriebstemperaturbereichen
bis 1700°C
und möglicherweise
darüber
hinaus. Die Keramik-Hohlkugeln, Stäbe usw.
sind in den Zwischenräumen
durch einen keramischen Matrixwerkstoff fest miteinander verbunden, so
dass eine zusammenhängende
und selbsttragende Struktur gebildet wird. Sowohl der Matrixwerkstoff selbst
als auch das Netz der miteinander verbundenen Kugeln bilden zusammenhängende Strukturen
in dem beanspruchten Werkstoff. Der Volumenanteil des Matrixmaterials
kann von nahe bei null bis zur vollständigen Ausfüllung der Zwischenräume zwischen
den hohlen Gebilden variieren.
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Vorzugsweise stellt die Matrix für alle Koordinationszahlen
wenigstens 10% der Zwischenräume
zwischen den hohlen Gebilden dar. Der Volumenanteil und die Dichte
der Matrix werden maßgeschneidert,
um die gewünschten
Eigenschaften für
die spezielle Anwendung zu erzielen, wobei berücksichtigt werden: die gewünschte Haftfestigkeit
zwischen den hohlen Gebilden; die für die Zwecke der Abtragbarkeit
erforderliche Gesamt-Schüttdichte;
die individuellen und die Packungsdichten der hohlen Gebilde; Anforderungen
betreffs der Durchlässigkeit;
die mechanische Gesamtfestigkeit des Systems; die gewünschten
Wärmeleitfähigkeits-Eigenschaften
insgesamt; und Erwägungen
betreffs der Masse (zum Beispiel für Anwendungen in der Luftfahrt). Die
Matrix kann, muss jedoch nicht Füllstoffe
oder Mittel zur Verstärkung
enthalten, einschließlich,
jedoch nicht beschränkt
auf kleinere Hohlkugeln oder andere hohle geometrische Gebilde,
Pulver, Teilchen, Plättchen
und Haarkristalle oder Schnittfasern oder andere nicht zusammenhängende Faserstoffe.
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Im Falle von dickwandigen Gebilden,
bei denen t/r größer als
0,25 ist, kann es vorteilhaft sein, den Anteil der Matrix im System
zu minimieren, solange die Anforderungen betreffs der Haftfestigkeit
und sonstigen Anforderungen erfüllt
sind. Eine sehr feste Struktur, insbesondere bei Druckbeanspruchung,
kann mit einer sehr geringen Hinzufügung von Matrixmaterial erreicht
werden. Im Falle von dünnwandigen
Gebilden (t/r kleiner als 0,25), insbesondere in den Bereichen der
höheren
Koordinationszahlen, kann es von Vorteil sein, die Menge und die
Dichte der zusammenhängendem
Matrixphase zu maximieren, um die Erosionsbeständigkeit zu erhöhen und
dabei zugleich die Gesamtdichte des Verbundstoffes, das Gewicht
und die Wärmeleitfähigkeit niedrig
zu halten.
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Bei dem Stoff, aus dem die keramischen
hohlen Gebilde bestehen, kann es sich um einem keramischen Werkstoff
handeln, der ein Oxid oder ein Nicht-Oxid ist, darunter (jedoch
nicht ausschließlich)
um die in der folgenden Tabelle 1 genannten Stoffe: TABELLE
1
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Das keramische Matrixmaterial kann
entweder eine auf einem Oxid basierende oder eine auf einem Nicht-Oxid
basierende Zusammensetzung aufweisen, einschließlich der (jedoch nicht beschränkt auf
die) Zusammensetzungen, die auch in der obigen Tabelle 1 angegeben
sind.
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Typischerweise werden in dem Bindemittelsystem
für das
Werkstoffsystem hochtemperaturbeständige, stabile, aus Partikeln
bestehende keramische Füllstoffe
verwendet. Der Zweck dieser Füllstoffe
kann darin bestehen, die Dichte der Matrix zu erhöhen (ohne
dabei unbedingt die Festigkeit zu erhöhen), die Festigkeit der Matrix
zu erhöhen,
die Zähigkeit
der Matrix entweder durch Verstärkung
oder durch Restspannungs-Management zu erhöhen oder höhere Kosteneinsparungen zu
erreichen. Typischerweise kann das aus Partikeln bestehende Material
in dem auf einer Aufschlämmung
basierenden Bindemittel eine der in der folgenden Tabelle 2 angegebenen
Zusammensetzungen haben, ohne dass es auf diese beschränkt ist,
und typische Bindemittel sind in der folgenden Tabelle 3 aufgelistet. TABELLE
2 / TABELLE
3
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Es kann jedes beliebige aus einer
Anzahl von existierenden oder denkbaren Verfahren zur Herstellung von
Keramik-Hohlkugeln angewendet werden, um die in dem Werkstoffsystem
verwendeten Kugeln zu erzeugen. Für makroskopische Hohlkugeln
(> 200 Mikrometer)
existieren einige Quellen, wo sie bezogen werden können, darunter
Keith Ceramics Ltd (Großbritannien)
und Ceramic Fillers Inc. (USA). Diese Quellen bieten Kugeln an,
die mittels traditioneller Sol-Gel- oder Aufschlämmungs-Verarbeitungsverfahren
hergestellt wurden und bei denen es sich primär um Werkstoffe auf Oxidbasis
handelt. Jedoch kann praktisch jedes beliebige Verfahren, das zur
Herstellung von Keramik verwendet wird, in Betracht gezogen werden,
um Keramik-Hohlkugeln zu erzeugen, zum Beispiel Polymervorläufer-Beschichtung
von flüchtigen
Kugeln, Plasmaspritzen oder Reaktionsformen. Bei vielen Verfahren
wird notwendigerweise eine gewisse Menge an hohlen Nadelstrukturen
hergestellt, welche nach Filtration gesondert als das geometrische
Gebilde der erosionsbeständigen
Beschichtung gemäß dieser
Erfindung verwendet werden können.
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Die Zwischenräume in der Matrix des Werkstoffsystems
können
auf vielerlei Weise gefüllt
werden, darunter (jedoch nicht ausschließlich) durch Keramik-Verarbeitungsverfahren,
bei denen das keramische Matrixmaterial oder Bindemittel aus einem
auf einer Aufschlämmung
oder einer Flüssigkeit
basierenden Bindemittel besteht, oder aus Partikeln bestehende Stoffe
können
mit einem flüssigen
Bindemittel gemischt werden, so dass eine Aufschlämmung gebildet
wird, deren Viskosität
so gesteuert wird, dass geeignete charakteristische Eigenschaften
gewährleistet
werden. Im letztgenannten Beispiel kann es sich bei dem flüssigen Bindemittel um
ein in Lösung
befindliches keramisches Bindemittel handeln; zum Beispiel kann
das flüssige
Bindemittel eine Aluminiumorthophosphat-Lösung, Aluminiumoxid oder Mullit
oder Silika-Sol oder Aluminiumhydroxychlorid sein. Eine typische
Zusammensetzung einer auf einer Aufschlämmung basierenden Keramikmatrix
könnte die
folgenden Bestandteile enthalten: 1 Gewichtsanteil gesintertes Mullitpulver
(durchschnittliche Teilchengröße 25 Mikrometer)
und 0,858 Gewichtsanteile einer SO%-igen wässrigen Lösung von Aluminiumorthophosphat.
Die Keramik-Aufschlämmung
könnte
mit den Keramik-Hohlkugeln vorgemischt werden. Die Keramik-Hohlkugeln
würden
sich während
des Trocknens in gepackter Form unten ablagern. Die zusammenhängend gepackten
Keramik-Hohlkugeln könnten
bei Temperaturen zwischen 600°C
und 1600°C
eingebrannt werden. Im Falle der oben erwähnten Aluminiumorthophosphat-Lösung ist
dann die Umwandlung von Aluminiumphosphat in Aluminiumoxid proportional
zur Einbrenntemperatur. Je höher
die Einbrenntemperatur ist, desto größer ist der Volumenanteil von
Aluminiumoxid. Das Aluminiumoxid sorgt für eine Haftung im festen Zustand
der Teilchen des teilchenförmigen
Mullits bei Nichtvorhandensein von Aluminiumphosphat.
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Als Alternative zu dem auf einer
Aufschlämmung
basierenden keramischen Bindemittel kann ein auf einer Flüssigkeit
basierendes Bindemittel verwendet werden. Das flüssige keramische Bindemittel
kann typischerweise eine wässrige
Lösung
von Aluminiumphosphat oder Aluminiumhydroxychlorid sein, oder ein
Sol, etwa auf der Basis von Mullit, Aluminiumoxid oder Zirkondioxid.
Das flüssige
Bindemittel kann typischerweise jede Kugel mit einer dünnen Schicht überziehen,
die beim Einbrennen eine Haftung der Keramik-Hohlkugeln an den Berührungspunkten
bzw. Punkten, an denen sie aneinanderstoßen, bewirkt. Dieses Material
kann durch einen zweiten auf einer Aufschlämmung basierenden Füllungs-Schritt
modifiziert werden, der durchgeführt
wird, um die Gesamt-Schüttdichte
und die Eigenschaften des Endmaterial zu erhöhen bzw. zu verbessern, indem
die Zwischenräume
ausgefüllt
werden, welche zwischen den zusammenhängenden, schon zuvor miteinander
verklebten Kugeln vorhanden sind. Als Alternative zu den auf einer
Aufschlämmung
oder auf einer Flüssigkeit
basierenden keramischen Bindemitteln können andere Fertigungsprozesse
angewendet werden, zu denen unter anderem Polymervorläufer-Tränkung, Reaktionsformen,
gerichtete Metalloxidation, Luftplasmaspritzen, chemische Gasphasentränkung (chemical
vapor impregnation) und physikalische Gasphasenabscheidung von Keramikvorläufer-Gasen
gehören.
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Alle diese Werkstoffe weisen vorzugsweise
eine Erosionsbeständigkeit
und einen recht hohen Grad an Porosität auf. Die Erosion ist eine
komplexe Erscheinung, welche von der Härte des Werkstoffs, der Bruchfestigkeit,
der Korngröße, der
Energie der auftreffenden Teilchen usw. beeinflusst wird. Für ein gegebenes Werkstoffsystem
ist die Erosionsbeständigkeit
zur Porosität
des Werkstoffs umgekehrt proportional. Dies ist deshalb der Fall,
weil die typischen Mittel zur Erzeugung von Porosität feine,
untereinander verbundene Poren im Werkstoff hervorrufen, mit einer
drastisch verringerten Mikrohärte
und Bruchfestigkeit – und
somit mit einer geringen Erosionsbeständigkeit. Eine herausragende
Besonderheit des Werkstoffsystems dieser Erfindung ist die Steuerung
der makroskopischen Porosität
durch die Verwendung von dickwandigen Hohlkugeln. Eine geschlossene
Porosität
hat nicht nur eine bessere Erosionsbeständigkeit zur Folge, sondern
ermöglicht
auch eine optimale Kombination von Abtragbarkeit und Erosionsbeständigkeit.
Die dicken Kugelwände
(große
lokale Härte)
bieten Schutz vor Erosion, während
die Makroparosität
des Systems dafür
sorgt, dass die wünschenswerten
Isolations- und Abtragbarkeits-Eigenschaften erhalten bleiben.
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Mit dem erfindungsgemäßen Werkstoffsystem
können
hohe Grade der Porosität
erreicht werden, ohne dass bei der strukturellen Einheit oder der
Erosionsbeständigkeit
Abstriche gemacht werden müssen.
Eine hohe Porosität
hat eine niedrige Wärmeleitfähigkeit
zur Folge, das heißt,
eine hohe Isolationswirkung, was für den Wärmeschutz von metallischen
Turbinentriebwerk-Bauteilen, von denen viele bei über ihrem
Schmelzpunkt liegenden Temperaturen eingesetzt werden, von größter Wichtigkeit
ist. Der Wärmeschutz
von beschichteten Trägermaterialien
in Gasturbinen-Umgebungen ist für
ihren erfolgreichen Einsatz ebenfalls von entscheidender Bedeutung
und ermöglicht
die Verwendung von gegenwärtig
verfügbaren
Trägermaterialien
mit mäßiger Temperaturbelastbarkeit
in Umgebungen mit sehr hohen Temperaturen, während sich zugleich die Menge der
benötigten
Kühlluft
drastisch verringert. Eine geringe Wärmeleitfähigkeit wird in diesem Werkstoffsystem mit
hohen Graden der Porosität
erreicht, ohne dass bei der Erosionsbeständigkeit Abstriche gemacht
werden müssen.
Die Abtragbarkeit wird in diesem Werkstoffsystem durch Erzeugung
hoher Grade der Porosität
erreicht, ohne dass bei der Erosionsbeständigkeit Abstriche gemacht
werden müssen.
Ein optimiertes Abtragbarkeitsverhalten ist aufgrund des Vorsprungs
an Erosionsbeständigkeit
möglich,
den die Struktur dieses Werkstoffsystems bietet. Diese Körper/Beschichtungen
können
so geformt werden, dass sie hohe Porositäten, jedoch eine gute Kettenstruktur
aufweisen, was früher
mit herkömmlichen
Mitteln infolge der entsprechenden nicht akzeptablen Verringerung
der Erosionsbeständigkeit
nicht erreichbar war. Die wichtigsten Parameter für wirklich
abtragbare Werkstoffe sind der Gesamtgrad der Porosität (für eine gegebene
Zusammensetzung) und die "Bröckligkeit" (friability), welche
als Eignung der abgetragenen Teilchen definiert ist, von der Oberfläche entfernt
zu werden und damit einer Verdichtung der Schicht unter der Oberfläche zu verhindern.
Die beschriebenen Werkstoffsysteme, insbesondere von der Art, wie
sie in 3 dargestellt
sind, gewährleisten
durch ihre relativ hohen Grade der Porosität und die Verwendung von Keramikkugeln
für die
Bröckligkeit
beide Qualitäten.
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Diese Werkstoffsystem erreichen im
Vergleich zu Beschichtungen mit ähnlichen
thermischen Eigenschaften einen niedrigen Elastizitätsmodul.
Dies ist auf die Fähigkeit
zurückzuführen, hohe
Grade der Porosität ohne
die nachteiligen Eigenschaften zu erreichen, die normalerweise bei
stark porösen
Werkstoffen vorhanden sind. Ein niedriger Elastizitätsmodul
ist äußerst wichtig,
um die durch Wärmeeinwirkung
erzeugten Spannungen nicht nur in diesen Werkstoffsystemen selbst,
sondern auch in dem jeweils darunter befindlichen Trägermaterial
zu begrenzen. Diese Werkstoffsysteme können eine isolierende Beschichtung
für Trägermaterialien mit
mäßiger Festigkeit
für Gasturbinen-Anwendungen
sein. Die Minimierung der Spannungen im Trägermaterial ist äußerst wichtig,
um erfolgreiche Konstruktionen mit den erforderlichen Lebensdauern
zu erreichen. Diese Werkstoffsysteme sind auf einzigartige Weise
in der Lage, für
einen guten Wärmeschutz
zu sorgen, ohne übermäßige Spannungen
im Trägermaterial
hervorzurufen.
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Die Eigenschaften des erfindungsgemäßen Werkstoffsystems
können
innerhalb eines weiten Bereiches so maßgeschneidert werden, dass
sie an das Verhalten der Werkstoffe, mit denen es gepaart ist, angepasst
sind, einschließlich
der Trägermaterialien
in Beschichtungs-Anwendungen.
Das Wärmeausdehnungsverhalten
dieser Werkstoffsysteme ist in erster Linie das der in der Struktur
verwendeten Kugeln, mit einem sekundären Effekt, der durch die Matrix
erzeugt wird. Die Kugeln bilden ein zusammenhängendes Netz und bestimmen
dadurch das ungefähre
Ausdehnungsverhalten dieser Werkstoffsysteme. Eine optimierte Wärmeausdehnung
kann durch die Wahl der Zusammensetzung der Kugeln erreicht werden,
oder durch eine Mischung von verschiedenen Zusammensetzungen der
Kugeln; zum Beispiel beträgt
die Wärmeausdehnung des
auf Mullit basierenden Werkstoffsystems nur ungefähr 0,6%
bei 1000°C.
Außerdem
haben diese Werkstoffsysteme für
andere Anwendungen ebenfalls einzigartige Eigenschaften, mit praktisch
unbegrenzten Variationen in der Zusammensetzung, Möglichkeiten
der Bildung von Formen, elektrischen Eigenschaften, indem sie ein
geringes Gewicht besitzen, eine hohe spezifische Festigkeit und
Steifigkeit aufweisen und die Möglichkeit
zur Fertigung großer
Teile bieten.
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Die ursprüngliche und wichtigste Anwendung
der Werkstoffsysteme von 2 betrifft,
wie oben beschrieben, die Isolation von Konstruktionskeramik- und
Superlegierungs-Werkstoffen
von Gasturbinen-Bauteilen. Es existieren jedoch viele weitere potenzielle
Anwendungen dieser Werkstoffsysteme. Ein herausragender Aspekt dieser
Werkstoffsysteme ist die Möglichkeit,
das Werkstoffsystem in engem Zusammenwirken mit anderen Werkstoffen
zu gestalten, an denen es möglicherweise
angebracht werden muss. Zum Beispiel sind bei der Anwendung für keramische
Trägermaterialien
für den
Isolationsschutz die folgenden Verarbeitungsmethoden möglich: Dieses
Werkstoffsystem kann auf ein keramisches oder Verbundstoff Trägermaterial
mittels herkömmlicher
Gussverfahren aufgebracht werden und zusammen mit dem Trägermaterial
gebrannt werden, oder es kann ein teilweise verdichtetes Werkstoffsystem
auf ein Trägermaterial
aufgetragen oder gegossen werden, welches nicht vollständig verdichtet
worden ist, wobei die kombinierte Struktur anschließend dem
restlichen Teil des Verarbeitungsprozesses des Verbundstoff Trägermaterials
unterzogen wird, wodurch die beiden Werkstoffe zu einem Ganzen verbunden
werden. Dieses Werkstoffsystem kann auch als einen kostengünstiges,
ein geringes Gewicht und einen starken Kern aufweisendes Material
für Verbundstoff-Sandwich-Konstruktionen in
Betracht gezogen werden, bei denen massespezifische Eigenschaften
wünschenswert
sind. Dabei könnte
das Werkstoffsystem zusammen mit den Außenschichten des Verbundstoffes
bearbeitet werden, was eine kostengünstige Fertigung und überlegene
Struktureigenschaften zur Folge hätte.
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Weitere Anwendungen des erfindungsgemäßen Werkstoffsystems
können
die Anwendung für
Brennkammer-Auskleidungen (rohrförmige,
ringförmig
und rohr-ringförmige
Konfigurationen), Durchführungen, Durchführungskanäle, statische
Schaufelblätter
und Deckplatten (Leitschaufen), Dichtungen (sowohl Schaufelspitze
als auch zwischen den Stufen) und praktisch alle statischen Oberflächen, die
der Einwirkung eines Heißgasstromes
ausgesetzt sind, umfassen. Zu den Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt
gehören
Teile und Oberflächen
von Flugzeugen, auf die heiße
Gase (Triebwerkabgase) auftreffen; Wärmeschutzsysteme (thermal protection
systems, TPS) für
Luft- und Raumfahrzeuge (Überschall-
oder Wiedereintritts-Schutz); steife, leichte Platten oder Konstruktionen
für Raumfahrtausrüstung (Satelliten,
Fahrzeuge, Stationen usw.) usw. Zu den Anwendungen bei Diesel- oder
anderen Verbrennungsmotoren gehören
Zylinderbuchsen, Auspuffkanäle,
Sammelrohrauskleidungen usw.
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BEISPIEL
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6 veranschaulicht
die außergewöhnlichen
Erosionseigenschaften, welche das hier beschriebene zusammengesetzte
Beschichtungssystem aufweist. Die Erosionsbeständigkeit für eine bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird mit Angaben aus der Literatur für ähnliche
keramische Werkstoffsysteme verglichen. Die verglichenen Werkstoffe
sind folgende: Kurve 1 beschreibt ein allgemeines Modell
der Erosion, das für
homogene keramische Werkstoffe mit unterschiedlichen Graden der
Porosität
abgeleitet wurde. Es beruht auf einem mechanistischen Modell der
Rissbildung in keramischen Werkstoffen. Die in diesem Modell verwendeten
Parameter (Größe und Geschwindigkeit
der auftreffenden Teilchen sowie Eigenschaften des der Erosion unterliegenden
Werkstoffes) sind für
die Erosionsuntersuchung für
die einzelnen ausgewerteten Proben repräsentativ. Da die Verschleißgeschwindigkeiten
für jede
Probe normiert sind (verglichen mit den vollständig dichten Versionen desselben
Werkstoffes), ermöglicht
dies einen Vergleich von unter unterschiedlichen Bedingungen geprüften Werkstoffen.
Die Proben 1 und 3 wurden unter identischen Bedingungen
geprüft (unter
Verwendung von Aluminiumoxid-Teilchen von 100 Mikrometern mit einer
Geschwindigkeit von 900 ft/s [ca. 274 m/s], die unter einem Winkel
von 15° auftreffen).
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Die Probe 1 war eine herkömmliche,
aus mit Yttriumoxid stabilisiertem Zirkondioxid bestehende Wärmedämmschicht,
die mittels Plasmaspritzen aufgebracht wurde. Die Porosität wurde
mittels Steuerung der Parameter des Spritzens sowie durch die gleichzeitige
Abscheidung von flüchtigen
Phasen (das heißt,
von Polyesterteilchen) herbeigeführt.
Die Probe 2 war ein Körper
aus gesintertem Aluminiumoxid, welcher durch Kaltpressen von Pulvern
bis zu einer vorgegebenen "rohen" Dichte und anschließendes Sintern
bei hohen Temperaturen geformt wurde. Die Porosität wurde
durch Änderung
der "rohen" Dichte des verdichteten
Pulvers vor dem Sintern gesteuert.
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Die Probe 3 war die bevorzugte
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung und bestand aus zahlreichen Hohlkugeln
mit einem Wert von t/r von ca. 0,3, mit einer Koordinationszahl
der Teilchenpackung von 4 bis 6 und einer Matrix aus mit Mullit-Teilchen
gefülltem
Aluminiumdioxid, die eine Porosität von 50% aufweist (d. h. die
50% der Zwischenräume
zwischen den hohlen Teilchen füllt).
Die Gesamt-Schüttdichte
der resultierenden Verbundstruktur betrug ca. 50%. Die durch Erosion
bedingte Verschleißgeschwindigkeit
dieses Systems, gemessen mittels einer Prüfung mit Aufprall von Teilchen,
war um mehr als eine Größenordnung
niedriger, als das theoretische Modell für einen gegebenen Grad der
Porosität
vorhersagt. Außerdem
war die Verschleißgeschwindigkeit
der erfindungsgemäßen Probe
bei einer Porosität
von 50% geringer als die der vergleichbaren Werkstoffe bei einem
halb so hohen Grad der Porosität.
Diese Erosionsbeständigkeit
wird durch die Verbundstruktur und die Kombination von harten, dick-
und dichtwandigen Kugeln bei gleichzeitiger Beibehaltung hoher Grade
der Porosität
erzielt.
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Die Folgerung aus diesen die Erosion
betreffenden Ergebnissen ist, dass mit der vorliegenden Erfindung
verbesserte Isolations- und Abtragbarkeits-Eigenschaften durch gesteuerte
Erzeugung von Porosität
erreicht werden können,
ohne dass die normalerweise damit einhergehende Erhöhung der
Erosionsgeschwindigkeit auftritt. Diese Kombination von Eigenschaften
ist einzigartig und war bis jetzt mit herkömmlichen Mitteln nicht erreichbar.
