EP0167793A1 - Method and coating material for producing ceramic metal bond coats - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von Keramik/Metall-Verbundschichten im Spritzverfahren sowie auf ein Beschichtungsmaterial dazu.The invention relates to a method for producing ceramic / metal composite layers by spraying and to a coating material therefor.
Es ist bekannt, hohen Temperaturen ausgesetzte Gegenstände mit einer Keramikbeschichtung zu isolieren. Die Schichtdicke des Keramiküberzuges richtet sich nach den Isolieranforderungen, wobei jedoch aufgrund der hohen Temperaturspannungen, die im Keramikmaterial auftreten können die Schichtdicke eines Keramiküberzuges stark begrenzt ist. Es sind allerdings reine Keramikschichten mit stärkerer Schichtdicke mit dem Plasmaspritzverfahren herstellbar. Das auf ein Subsatrat aufgebrachte Material hat bei diesem Verfahren sehr hohe Temperaturen und einen geringen Temperaturgradienten, so daß etwaige Spannungen in den noch flüssigen Gebieten abgebaut werden können. Jedoch sind diese Schichten bei insbesondere stärkerem Temperaturwechsel nicht beständig.It is known to insulate objects exposed to high temperatures with a ceramic coating. The layer thickness of the ceramic coating depends on the insulation requirements, but due to the high temperature stresses that can occur in the ceramic material, the layer thickness of a ceramic coating is very limited. However, pure ceramic layers with a thicker layer thickness can be produced using the plasma spraying process. The material applied to a substrate has very high temperatures and a low temperature gradient in this process, so that any tensions in the still liquid areas can be reduced. However, these layers are not stable in the event of particularly strong temperature changes.
Die Schichtdickengrenze läßt sich bekannterweise mit einer Verbundbeschichtung aus Keramik und Metall erweitern. Zur Herstellung einer solchen Verbundschicht wird zunächst eine Keramikschicht und darauf eine Metallschicht aufgebracht. Dieses bekannte Verfahren erfordert jedoch zwei Arbeitsgänge.As is known, the layer thickness limit can be extended with a composite coating of ceramic and metal. To produce such a composite layer, a ceramic layer is first applied and then a metal layer. However, this known method requires two operations.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem sich eine beständige Keramik/Metall-Schicht mit möglichst geringem Arbeitsaufwand auf ein Substrat aufbringen läßt.The invention has for its object to provide a method of the type mentioned, with which a durable ceramic / metal layer can be applied to a substrate with as little work as possible.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß mit den im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst.The object is achieved with the features characterized in claim 1.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein einziger Arbeitsgang, nämlich das Aufspritzen der Materialmischung benötigt, wobei das Keramikmaterial bei einer geringeren Temperatur als bei den bekannten Verfahren verarbeitet werden kann, nachdem es auf dem Substrat in das weichere Metall eingebettet wird. Bei der so erzeugten Isolierschicht sind die beiden Komponenten, nämlich das Metall und das Keramikmaterial innerhalb der gesamten Schicht vermischt, so daß außerdem eine bessere Aufnahme von Spannungskräften durch das Metall erfolgen kann, als es bei der Nacheinanderbeschichtung von Keramik und Metall möglich ist. Es hat sich auch gezeigt, daß eine derartige Schicht eine hohe physikalische, mechanische und chemische Beständigkeit hat. Sie eignet sich somit nicht nur zur Herstellung von Wärmeisolierschichten, sondern auch für verschleißhemmende Oberzüge.With the method according to the invention, a single operation, namely the spraying of the material mixture, is required, the ceramic material being able to be processed at a lower temperature than in the known methods after it has been embedded in the softer metal on the substrate. In the insulating layer produced in this way, the two components, namely the metal and the ceramic material, are mixed within the entire layer, so that, in addition, a better absorption of tensile forces by the metal can take place than is possible with the successive coating of ceramic and metal. It has also been shown that such a layer has a high physical, mechanical and chemical resistance. It is therefore not only suitable for the production of thermal insulation layers, but also for wear-resistant top layers.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird das Metall in im Keramikmaterial eingebetteter Form dem Aufspritzvorgang zugeführt.According to a further embodiment of the invention, the metal is fed to the spraying process in the form embedded in the ceramic material.
Dies hat den Vorteil, daß die hohen, zur Aufschmelzung des Keramikmaterials erforderlichen Temperaturen nicht direkt das Metall beaufschlagen und somit eine Verdampfung des Metalls im Aufspritzvorgang vermieden wird.This has the advantage that the high temperatures required for the melting of the ceramic material do not directly affect the metal and thus evaporation of the metal in the spraying process is avoided.
Vorzugsweise wird eine Aufbereitung des Beschichtungsmaterials in der Form eines Keramikrohres mit einer Metall- oder metallhaltigen Seele vorgeschlagen.Preparation of the coating material in the form of a ceramic tube with a metal or metal-containing core is preferably proposed.
Dieses Verbund-Beschichtungsmaterial wird in einer einfachen Form durch Ziehen von Keramikrohren und Auffüllen mit dem entsprechenden Metall hergestellt. Das Metall oder ein metallhaltiges Material kann dabei als Pulver, in flüssiger Form oder als Draht in das Keramikrohr eingebracht werden.This composite coating material is made in a simple form by drawing ceramic pipes and filling them with the appropriate metal. The metal or a metal-containing material can be introduced into the ceramic tube as powder, in liquid form or as wire.
Ein so aufbereitetes Beschichtungsmaterial hat viele Vorteile. Bei der Verwendung eines Drahtkernes kann eine Endlosschlaufe durch Aufreihen von Keramikrohrstücken hergestellt werden. Der Draht und das Keramikrohr können - wenn erforderlich oder für einen bestimmten Anwendungsfall zweckmäßig - mit unterschiedlichen Vorschubgeschubsgeschwindigkeiten angetrieben werden.A coating material prepared in this way has many advantages. When using a wire core, an endless loop can be made by lining up ceramic tube pieces. The wire and the ceramic tube can - if necessary or appropriate for a specific application - be driven at different feed speeds.
Es ist ferner möglich, die Konzentration des Kernmaterials kontinuierlich zu variieren. Dieses kann gegebenenfalls auch elektronisch während des Aufspritzvorganges erfolgen, indem ein pulverfömiges Kernmaterial elektronisch in Abhängigkeit des momentanen Beschichtungszustandes gemischt und in das Keramikrohr eingeführt wird.It is also possible to vary the concentration of the core material continuously. This can optionally also be done electronically during the spraying process by electronically mixing a powdery core material depending on the current coating condition and introducing it into the ceramic tube.
Um eine gute Haftung der Schicht auf dem Substrat zu erreichen, ist es je nach Beschaffenheit des Substrats zweckmäßig, zunächst eine metallreiche Schicht aufzubringen und kontinuierlich die Keramikkonzentration mit zunehmender Schichtdicke zu erhöhen, um die gewünschte Isolier- und verschleißhemmende Wirkung zu erreichen. Die Konzentration in der Beschichtung wird durch Ändern der Konzentration eines aus Metall und Keramikmaterial bestehenden Kernmaterials oder durch Veränderung des Relativvorschubes zwischen Kernmaterial und Keramikrohr erreicht.In order to achieve good adhesion of the layer to the substrate, it is advisable, depending on the nature of the substrate, to first apply a metal-rich layer and to continuously increase the ceramic concentration with increasing layer thickness in order to achieve the desired insulation and wear-resistant effect. The concentration in the coating is achieved by changing the concentration of a core material consisting of metal and ceramic material or by changing the relative feed between core material and ceramic tube.
Im Aufspritzvorgang dient das Keramikrohr gleichzeitig zur Wärmeisolierung für das Metall, so daß dieses nicht bis auf die Verdampfungstemperatur erhitzt wird. Es konnte festgestellt werden, daß das Material im Spritzvorgang in ähnlicher Form eines gespitzten Bleistiftes vom Stab abgetragen wird, wobei Keramik und Metall gleichzeitig auf das Substrat aufgebracht werden.In the spraying process, the ceramic tube also serves as heat insulation for the metal, so that it is not heated up to the evaporation temperature. It was found that the material is removed from the rod in a similar form to a sharpened pencil, with ceramic and metal being applied to the substrate at the same time.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt. Das Beschichtungsmaterial ist ein Stab 12, bestehend aus einem Keramikrohr 10, z.B. aus Aluminiumoxid, Zirconoxid mit einer Metallseele 11, z.B. aus Co, CrNi, Metall/Keramikmaterial, der in einer Spritzvorrichtung 13 aufgeschmolzen wird. Mit Hilfe eines gasförmigen Strömungsmittels 14 wird das aufgeschmolzene Verbundmaterial auf ein Substrat 15 aufgebracht.In the drawing, an embodiment is shown schematically. The coating material is a
Der Stab 12 wird innerhalb der Spritzvorrichtung 13 auf eine Temperatur erwärmt, die das Keramikmaterial 10 zum Schmelzen bringt. Isoliert durch das Keramikrohr 10 erhitzt sich der Metallkern 11 nicht bis auf die von außen beaufschlagte Temperatur, sondern auf eine niedrigere Temperatur, die ausreicht um das Metall zum Schmelzen, jedoch nicht zum Verdampfen zu bringen. Der Abtrag des Beschichtungsmaterials erfolgt an der Spitze 16 des Stabes mit konischem Verlauf, so daß mit dem Abtrag des Keramikmaterials von der Spitze aus flüssiges Metall mitgezogen werden kann.The
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